JP6855843B2 - Electrodes for redox flow batteries and their manufacturing methods, and redox flow batteries - Google Patents

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Description

本発明は、レドックスフロー電池用電極とその製造方法、およびレドックスフロー電池に関する。 The present invention relates to an electrode for a redox flow battery, a method for manufacturing the electrode, and a redox flow battery.

近年、電力貯蔵用電池として、レドックスフロー電池が注目されている。
レドックスフロー電池は、水素イオンが透過する隔膜により内部が正極室と負極室に分離された電解槽、正極電解液を貯留する正極タンク、負極電解液を貯留する負極タンク、電解液をタンクと電解槽との間で循環させるポンプなどで構成される。そして、正極タンクと正極室との間で正極電解液を循環させ、負極タンクと負極室との間で負極電解液を循環させ、正極室および負極室に設置された各電極上で酸化還元反応を進行させることで充放電が行われる。
レドックスフロー電池に用いられる電極としては、カーボンフェルトやカーボンペーパー等の炭素繊維集合体が用いられている(例えば特許文献1、2参照)。
In recent years, a redox flow battery has been attracting attention as a battery for storing electric power.
The redox flow battery has an electrolytic cell whose inside is separated into a positive electrode chamber and a negative electrode chamber by a diaphragm through which hydrogen ions permeate, a positive electrode tank for storing a positive electrode electrolyte, a negative electrode tank for storing a negative electrode electrolyte, and a tank and an electrolyzer for the electrolyte. It consists of a pump that circulates between the tank and the tank. Then, the positive electrode electrolytic solution is circulated between the positive electrode tank and the positive electrode chamber, the negative electrode electrolytic solution is circulated between the negative electrode tank and the negative electrode chamber, and a redox reaction is carried out on each electrode installed in the positive electrode chamber and the negative electrode chamber. Charging and discharging is performed by advancing.
As the electrode used in the redox flow battery, a carbon fiber aggregate such as carbon felt or carbon paper is used (see, for example, Patent Documents 1 and 2).

特許第3601581号公報Japanese Patent No. 360151 国際公開第2016/104613号International Publication No. 2016/10461

カーボンフェルトを用いた電極は、製造コストがかかる、カーボンフェルトはある程度の厚みがあるため電極の薄膜化が困難、繊維が毛羽立ちやすいため短絡しやすい、などの問題があった。 Electrodes using carbon felt have problems such as high manufacturing cost, difficulty in thinning the electrode because carbon felt has a certain thickness, and easy short circuit because fibers tend to fluff.

一方、カーボンペーパーはカーボンフェルトに比べて安価であり、薄く、繊維が毛羽立ちにくい。そのため、カーボンペーパーを用いた電極は、カーボンフェルトを用いた電極に比べて安価であり、薄膜化が容易であることから、電池の低コスト化や小型化が可能であり、しかも短絡しにくい。
しかしながら、カーボンペーパーを用いた電極の場合、電池性能が必ずしも充分に高くはなかった。
On the other hand, carbon paper is cheaper than carbon felt, is thin, and has less fluffing fibers. Therefore, the electrode using carbon paper is cheaper than the electrode using carbon felt, and since it is easy to make a thin film, it is possible to reduce the cost and size of the battery, and it is difficult to short-circuit.
However, in the case of the electrode using carbon paper, the battery performance was not always sufficiently high.

本発明は、低コスト化および小型化を実現でき、短絡しにくく、電池性能に優れたレドックスフロー電池が得られるレドックスフロー電池用電極とその製造方法、およびレドックスフロー電池を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide an electrode for a redox flow battery, a method for manufacturing the same, and a redox flow battery, which can realize low cost and miniaturization, are hard to short-circuit, and can obtain a redox flow battery having excellent battery performance. To do.

本発明は以下の態様を有する。
[1] ポリアクリロニトリル系炭素繊維とバインダ樹脂の炭化物とを含むカーボンペーパーからなり、水銀圧入法により測定される比表面積が0.5〜1.5m/gである、レドックスフロー電池用電極。
[2] 前記カーボンペーパーは水銀圧入法により測定される細孔分布において少なくとも2つのピークを有する、[1]に記載のレドックスフロー電池用電極。
[3] 前記カーボンペーパーは炭素フィラーをさらに含む、[1]または[2]に記載のレドックスフロー電池用電極。
[4] 前記カーボンペーパーはポリアクリロニトリル系炭素繊維以外の炭素繊維をさらに含む、[1]〜[3]のいずれか1つに記載のレドックスフロー電池用電極。
The present invention has the following aspects.
[1] An electrode for a redox flow battery, which is made of carbon paper containing polyacrylonitrile-based carbon fibers and carbides of a binder resin, and has a specific surface area of 0.5 to 1.5 m 2 / g measured by a mercury intrusion method.
[2] The electrode for a redox flow battery according to [1], wherein the carbon paper has at least two peaks in the pore distribution measured by the mercury intrusion method.
[3] The electrode for a redox flow battery according to [1] or [2], wherein the carbon paper further contains a carbon filler.
[4] The electrode for a redox flow battery according to any one of [1] to [3], wherein the carbon paper further contains carbon fibers other than polyacrylonitrile-based carbon fibers.

[5] 以下の(A1)工程、(A2)工程、(A3)工程および(A4)工程を有する、レドックスフロー電池用電極の製造方法。
(A1)工程:ポリアクリロニトリル系炭素繊維を用いて抄紙し、炭素繊維紙を作製する工程。
(A2)工程:(A1)工程で得られた炭素繊維紙に、炭素化後の残炭率が20質量%以上であるバインダ樹脂と、炭素フィラーとを含むバインダ樹脂組成物を含浸させ、前駆体シートを作製する工程。
(A3)工程:(A2)工程で得られた前駆体シートを加熱し、バインダ樹脂を硬化させる工程。
(A4)工程:(A3)工程後の前駆体シートを炭素化し、カーボンペーパーを作製する工程。
[5] A method for manufacturing an electrode for a redox flow battery, which comprises the following steps (A1), (A2), (A3) and (A4).
(A1) Step: A step of making carbon fiber paper by making paper using polyacrylonitrile-based carbon fiber.
Step (A2): The carbon fiber paper obtained in the step (A1) is impregnated with a binder resin composition containing a binder resin having a residual carbon content of 20% by mass or more after carbonization and a carbon filler, and a precursor is formed. The process of making a body sheet.
Step (A3): A step of heating the precursor sheet obtained in the step (A2) to cure the binder resin.
(A4) Step: A step of carbonizing the precursor sheet after the (A3) step to produce carbon paper.

[6] 以下の(B1)工程、(B2)工程、(B3)工程および(B4)工程を有する、レドックスフロー電池用電極の製造方法。
(B1)工程:ポリアクリロニトリル系炭素繊維と、ポリアクリロニトリル系炭素繊維以外の炭素繊維とを用いて抄紙し、炭素繊維紙を作製する工程。
(B2)工程:(B1)工程で得られた炭素繊維紙に、炭素化後の残炭率が20質量%以上であるバインダ樹脂を含浸させ、前駆体シートを作製する工程。
(B3)工程:(B2)工程で得られた前駆体シートを加熱し、バインダ樹脂を硬化させる工程。
(B4)工程:(B3)工程後の前駆体シートを炭素化し、カーボンペーパーを作製する工程。
[6] A method for manufacturing an electrode for a redox flow battery, which comprises the following steps (B1), (B2), (B3) and (B4).
(B1) Step: A step of making carbon fiber paper by making paper using polyacrylonitrile-based carbon fibers and carbon fibers other than polyacrylonitrile-based carbon fibers.
Step (B2): A step of impregnating the carbon fiber paper obtained in the step (B1) with a binder resin having a residual carbon content of 20% by mass or more after carbonization to prepare a precursor sheet.
Step (B3): A step of heating the precursor sheet obtained in the step (B2) to cure the binder resin.
(B4) Step: A step of carbonizing the precursor sheet after the (B3) step to produce carbon paper.

[7] [1]〜[4]のいずれか1つに記載のレドックスフロー電池用電極を備えた、レドックスフロー電池。 [7] A redox flow battery provided with the electrode for the redox flow battery according to any one of [1] to [4].

本発明によれば、低コスト化および小型化を実現でき、短絡しにくく、電池性能に優れたレドックスフロー電池が得られるレドックスフロー電池用電極とその製造方法、およびレドックスフロー電池を提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide an electrode for a redox flow battery, a method for manufacturing the same, and a redox flow battery, which can realize low cost and miniaturization, are less likely to cause a short circuit, and can obtain a redox flow battery having excellent battery performance.

本発明のレドックスフロー電池用電極の一例を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows an example of the electrode for a redox flow battery of this invention.

「レドックスフロー電池用電極」
本発明のレドックスフロー電池用電極(以下、「RFB用電極」ともいう。)は、ポリアクリロニトリル系炭素繊維(以下、「PAN系炭素繊維」ともいう。)とバインダ樹脂の炭化物とを含むカーボンペーパーからなる。このカーボンペーパーは、炭素フィラーやPAN系炭素繊維以外の炭素繊維(以下、「非PAN系炭素繊維」ともいう。)をさらに含んでいてもよい。
なお、「カーボンペーパー」とは、概ね平面内においてランダムな方向に炭素繊維を分散させ、ペーパー状としたものである。また、「ランダムな方向に分散」とは、炭素繊維が概ね一つの面を形成するように横たわっていることを意味する。
"Electrodes for redox flow batteries"
The electrode for a redox flow battery of the present invention (hereinafter, also referred to as “RFB electrode”) is a carbon paper containing a polyacrylonitrile-based carbon fiber (hereinafter, also referred to as “PAN-based carbon fiber”) and a carbide of a binder resin. Consists of. This carbon paper may further contain carbon fibers other than carbon fillers and PAN-based carbon fibers (hereinafter, also referred to as "non-PAN-based carbon fibers").
The "carbon paper" is a paper-like material in which carbon fibers are dispersed in a substantially random direction in a plane. Further, "dispersed in a random direction" means that the carbon fibers lie so as to form substantially one surface.

<アクリロニトリル系炭素繊維>
PAN系炭素繊維は、耐酸性に優れる炭素繊維である。
レドックスフロー電池(以下、「RFB」ともいう。)の電解液としては、通常、酸性水溶液が用いられることから、RFB用電極には耐酸性が求められる。PAN系炭素繊維を含むカーボンペーパーからなる本発明のRFB用電極は、耐酸性に優れるので電解液と接触しても腐食しにくい。
<Acrylonitrile-based carbon fiber>
The PAN-based carbon fiber is a carbon fiber having excellent acid resistance.
Since an acidic aqueous solution is usually used as the electrolytic solution of the redox flow battery (hereinafter, also referred to as “RFB”), the RFB electrode is required to have acid resistance. The RFB electrode of the present invention made of carbon paper containing PAN-based carbon fibers has excellent acid resistance, and therefore is not easily corroded even when in contact with an electrolytic solution.

PAN系炭素繊維の平均繊維長は、分散性の観点から2〜30mmが好ましく、2〜12mmがより好ましい。すなわち、PAN系炭素繊維としては、ポリアクリロニトリル系の炭素短繊維が好ましい。
PAN系炭素繊維の平均繊維長は、例えば走査型電子顕微鏡などの顕微鏡で、炭素繊維を50倍以上に拡大して写真撮影を行い、無作為に異なる50本の単繊維を選び、その長さを計測し、これらの値を平均したものである。
The average fiber length of the PAN-based carbon fibers is preferably 2 to 30 mm, more preferably 2 to 12 mm from the viewpoint of dispersibility. That is, as the PAN-based carbon fiber, polyacrylonitrile-based short carbon fiber is preferable.
The average fiber length of PAN-based carbon fibers is the length of 50 different single fibers randomly selected by taking a picture with the carbon fibers magnified 50 times or more with a microscope such as a scanning electron microscope. Is measured and these values are averaged.

PAN系炭素繊維の平均繊維径は、PAN系炭素繊維の生産コストおよび分散性の観点から、3〜20μmが好ましく、3〜9μmがより好ましい。特に、カーボンペーパーの平滑性の観点から、PAN系炭素繊維の平均繊維径は4〜8μmがさらに好ましい。
PAN系炭素繊維の平均繊維径は、例えば走査型電子顕微鏡などの顕微鏡で、炭素繊維を50倍以上に拡大して写真撮影を行い、無作為に異なる50本の単繊維を選び、その繊維径を計測し、これらの値を平均したものである。
The average fiber diameter of the PAN-based carbon fibers is preferably 3 to 20 μm, more preferably 3 to 9 μm, from the viewpoint of production cost and dispersibility of the PAN-based carbon fibers. In particular, from the viewpoint of the smoothness of the carbon paper, the average fiber diameter of the PAN-based carbon fibers is more preferably 4 to 8 μm.
The average fiber diameter of the PAN-based carbon fibers is determined by taking a picture of the carbon fibers at a magnification of 50 times or more with a microscope such as a scanning electron microscope, randomly selecting 50 different single fibers, and the fiber diameter. Is measured and these values are averaged.

PAN系炭素繊維の引張弾性率は、200〜600GPaが好ましい。
PAN系炭素繊維の引張弾性率は、JIS R 7601:1986に準じて測定される値である。
The tensile elastic modulus of the PAN-based carbon fiber is preferably 200 to 600 GPa.
The tensile elastic modulus of the PAN-based carbon fiber is a value measured according to JIS R 7601: 1986.

PAN系炭素繊維の引張強度は、3000〜7000MPaが好ましい。
PAN系炭素繊維の引張強度は、JIS R 7601:1986に準じて測定される値である。
The tensile strength of the PAN-based carbon fiber is preferably 3000 to 7000 MPa.
The tensile strength of the PAN-based carbon fiber is a value measured according to JIS R 7601: 1986.

PAN系炭素繊維の製造は連続で行なう方法やバッチ式で行なう方法があるが、特に目付のコントロールが容易であるという点と生産性および機械的強度の観点から連続が好ましい。
PAN系炭素繊維の目付は、10〜200g/mとすることが好ましい。
The PAN-based carbon fiber may be produced continuously or in a batch manner, but continuous production is particularly preferable from the viewpoint of easy control of basis weight, productivity and mechanical strength.
The basis weight of the PAN-based carbon fiber is preferably 10 to 200 g / m 2.

カーボンペーパー中のPAN系炭素繊維の含有量は、カーボンペーパーの総質量に対して60〜75質量%が好ましく、66〜72質量%がより好ましい。PAN系炭素繊維の含有量が60質量%以上であれば、カーボンペーパーの強度を充分に保持できる。一方、PAN系炭素繊維の含有量が75質量%以下であれば、後述するバインダ樹脂の炭化物の割合を確保できるので、PAN系炭素繊維同士を充分に結着できる。 The content of the PAN-based carbon fibers in the carbon paper is preferably 60 to 75% by mass, more preferably 66 to 72% by mass, based on the total mass of the carbon paper. When the content of the PAN-based carbon fiber is 60% by mass or more, the strength of the carbon paper can be sufficiently maintained. On the other hand, when the content of the PAN-based carbon fibers is 75% by mass or less, the proportion of carbides in the binder resin described later can be secured, so that the PAN-based carbon fibers can be sufficiently bonded to each other.

<バインダ樹脂の炭化物>
バインダ樹脂の炭化物は、バインダ樹脂を炭素化して得られるものである。バインダ樹脂の炭化物により、PAN系炭素繊維同士が結着する。
<Carbide of binder resin>
The carbide of the binder resin is obtained by carbonizing the binder resin. The carbides of the binder resin bind the PAN-based carbon fibers together.

バインダ樹脂としては、PAN系炭素繊維との結着力を有し、かつ炭素化するものであれば特に制限されないが、炭素化後の残炭率が20質量%以上となるような樹脂が好ましい。このような樹脂としては、例えばフェノール樹脂、フラン樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、イミド樹脂、ウレタン樹脂、アラミド樹脂、ピッチ、ポリアクリロニトリルなどが挙げられる。
これらは、1種を単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
ここで、「残炭率」とは、バインダ樹脂を1200℃以上の温度で炭素化したときの質量を炭素化前の質量で割って100を乗じた値である。
The binder resin is not particularly limited as long as it has a binding force to PAN-based carbon fibers and carbonizes, but a resin having a residual carbon ratio of 20% by mass or more after carbonization is preferable. Examples of such a resin include phenol resin, furan resin, epoxy resin, melamine resin, imide resin, urethane resin, aramid resin, pitch, polyacrylonitrile and the like.
These may be used alone or in combination of two or more.
Here, the "residual carbon ratio" is a value obtained by dividing the mass of the binder resin when carbonized at a temperature of 1200 ° C. or higher by the mass before carbonization and multiplying by 100.

フェノール樹脂としては、アルカリ触媒存在下においてフェノール類とアルデヒド類との反応によって得られるレゾールタイプのフェノール樹脂を用いることができる。
また、レゾールタイプのフェノール樹脂に公知の方法によって酸性触媒下においてフェノール類とアルデヒド類の反応によって生成する、固体の熱融着性を示すノボラックタイプのフェノール樹脂を溶解混入させることもできるが、この場合は硬化剤、例えばヘキサメチレンジアミンを含有した、自己架橋タイプのものが好ましい。
フェノール類としては、例えばフェノール、レゾルシン、クレゾール、キシロールなどが挙げられる。アルデヒド類としては、例えばホルマリン、パラホルムアルデヒド、フルフラールなどが用いられる。また、これらを混合物として用いることができる。これらはフェノール樹脂として市販品を利用することも可能である。
As the phenol resin, a resol type phenol resin obtained by reacting phenols with aldehydes in the presence of an alkaline catalyst can be used.
Further, a novolak-type phenol resin having heat-sealing properties of a solid, which is produced by a reaction between phenols and aldehydes under an acidic catalyst, can be dissolved and mixed with the resole-type phenol resin by a known method. In this case, a self-crosslinking type containing a curing agent such as hexamethylenediamine is preferable.
Examples of phenols include phenol, resorcin, cresol, xylene and the like. As the aldehydes, formalin, paraformaldehyde, furfural and the like are used, for example. Moreover, these can be used as a mixture. Commercially available products can also be used as phenol resins.

カーボンペーパー中のバインダ樹脂の炭化物の含有量は、カーボンペーパーの総質量に対して25〜40質量%が好ましく、28〜34質量%がより好ましい。バインダ樹脂の炭化物の含有量が25質量%以上であれば、PAN系炭素繊維同士を充分に結着できる。一方、バインダ樹脂の炭化物の含有量が40質量%以下であれば、PAN系炭素繊維の割合を確保できるので、カーボンペーパーの強度を充分に保持できる。 The content of carbides in the binder resin in the carbon paper is preferably 25 to 40% by mass, more preferably 28 to 34% by mass, based on the total mass of the carbon paper. When the content of carbides in the binder resin is 25% by mass or more, the PAN-based carbon fibers can be sufficiently bonded to each other. On the other hand, when the carbide content of the binder resin is 40% by mass or less, the ratio of the PAN-based carbon fibers can be secured, so that the strength of the carbon paper can be sufficiently maintained.

<炭素フィラー>
炭素フィラーとしては、例えばカーボンブラック、黒鉛、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、コークス、活性炭、非晶質炭素、ミルド炭素繊維、チョップド炭素繊維などが挙げられる。
これらの中でも、カーボンペーパーの比表面積を制御しやすい、あるいは電極の反応活性をより高めるなどの観点から、カーボンブラック、黒鉛、活性炭、非晶質炭素が好ましい。
これらは、1種を単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
<Carbon filler>
Examples of the carbon filler include carbon black, graphite, carbon nanotubes, carbon nanofibers, coke, activated carbon, amorphous carbon, milled carbon fiber, chopped carbon fiber and the like.
Among these, carbon black, graphite, activated carbon, and amorphous carbon are preferable from the viewpoint of easily controlling the specific surface area of carbon paper or further enhancing the reaction activity of the electrode.
These may be used alone or in combination of two or more.

カーボンペーパー中の炭素フィラーの含有量は、カーボンペーパーの総質量に対して50質量%以下が好ましく、1〜30質量%がより好ましい。炭素フィラーの含有量が50質量%以下であれば、電解液の拡散経路を閉塞することなくカーボンペーパーの比表面積を最大限に高めることができる。特に、炭素フィラーの含有量が1質量%以上であれば、電極の反応活性がより高まる。 The content of the carbon filler in the carbon paper is preferably 50% by mass or less, more preferably 1 to 30% by mass, based on the total mass of the carbon paper. When the content of the carbon filler is 50% by mass or less, the specific surface area of the carbon paper can be maximized without blocking the diffusion path of the electrolytic solution. In particular, when the content of the carbon filler is 1% by mass or more, the reaction activity of the electrode is further enhanced.

<非PAN系炭素繊維>
非PAN系炭素繊維としては、ピッチ系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維、活性炭繊維などが挙げられる。
これらの中でも、電極の反応活性をより高める観点ではピッチ系炭素繊維が好ましく、詳しくは後述するがカーボンペーパーの比表面積を制御しやすい観点では活性炭繊維が好ましい。
<Non-PAN carbon fiber>
Examples of non-PAN-based carbon fibers include pitch-based carbon fibers, rayon-based carbon fibers, and activated carbon fibers.
Among these, pitch-based carbon fibers are preferable from the viewpoint of further enhancing the reaction activity of the electrodes, and activated carbon fibers are preferable from the viewpoint of easily controlling the specific surface area of carbon paper, which will be described in detail later.

非PAN系炭素繊維の平均繊維長は、分散性の観点から2〜30mmが好ましく、2〜12mmがより好ましい。すなわち、非PAN系炭素繊維としては、ポリアクリロニトリル系以外の炭素短繊維が好ましい。
非PAN系炭素繊維の平均繊維長は、例えば走査型電子顕微鏡などの顕微鏡で、炭素繊維を50倍以上に拡大して写真撮影を行い、無作為に異なる50本の単繊維を選び、その長さを計測し、これらの値を平均したものである。
The average fiber length of the non-PAN-based carbon fibers is preferably 2 to 30 mm, more preferably 2 to 12 mm from the viewpoint of dispersibility. That is, as the non-PAN-based carbon fiber, carbon short fibers other than the polyacrylonitrile-based fiber are preferable.
The average fiber length of non-PAN-based carbon fibers is obtained by taking a picture of the carbon fibers at a magnification of 50 times or more with a microscope such as a scanning electron microscope, randomly selecting 50 different single fibers, and the length thereof. The value is measured and these values are averaged.

非PAN系炭素繊維の平均繊維径は、非PAN系炭素繊維の生産コストおよび分散性の観点から、3〜20μmが好ましく、9〜15μmがより好ましい。
非PAN系炭素繊維の平均繊維径は、例えば走査型電子顕微鏡などの顕微鏡で、炭素繊維を50倍以上に拡大して写真撮影を行い、無作為に異なる50本の単繊維を選び、その繊維径を計測し、これらの値を平均したものである。
The average fiber diameter of the non-PAN-based carbon fibers is preferably 3 to 20 μm, more preferably 9 to 15 μm, from the viewpoint of production cost and dispersibility of the non-PAN-based carbon fibers.
The average fiber diameter of non-PAN-based carbon fibers is determined by taking a picture of the carbon fibers at a magnification of 50 times or more with a microscope such as a scanning electron microscope, randomly selecting 50 different single fibers, and selecting the fibers. The diameter is measured and these values are averaged.

カーボンペーパー中の非PAN系炭素繊維の含有量は、カーボンペーパーの総質量に対して1〜50質量%が好ましく、1〜30質量%がより好ましい。非PAN系炭素繊維の含有量が1質量%以上であれば、電極の反応活性向上やカーボンペーパーの比表面積の増大に寄与しやすい。一方、非PAN系炭素繊維の含有量が50質量%以下であれば、カーボンペーパーが脆くなり過ぎず、取り扱いが容易である。 The content of the non-PAN-based carbon fibers in the carbon paper is preferably 1 to 50% by mass, more preferably 1 to 30% by mass, based on the total mass of the carbon paper. When the content of the non-PAN carbon fiber is 1% by mass or more, it tends to contribute to the improvement of the reaction activity of the electrode and the increase of the specific surface area of the carbon paper. On the other hand, when the content of the non-PAN-based carbon fibers is 50% by mass or less, the carbon paper does not become too brittle and is easy to handle.

<物性>
カーボンペーパーの水銀圧入法により測定される比表面積は、0.5〜1.5m/gであり、0.6〜1.3m/gが好ましい。比表面積が0.5m/g以上であれば、カーボンペーパーは充分な微細構造を有する。すなわち、カーボンペーパーは多孔質であり、このカーボンペーパーからなるRFB用電極の反応活性が向上する。よって、本発明のRFB用電極を備えたRFBは充電時の電圧が高く、電池性能に優れる。一方、比表面積が1.5m/gを超えると、カーボンペーパーの表面の水接触角が大きくなりすぎる。その結果、電解液を弾きやすくなり、電池性能が低下する。
<Physical characteristics>
Specific surface area measured by mercury porosimetry of carbon paper are 0.5~1.5m 2 / g, 0.6~1.3m 2 / g are preferred. If the specific surface area is 0.5 m 2 / g or more, the carbon paper has a sufficient fine structure. That is, the carbon paper is porous, and the reaction activity of the RFB electrode made of this carbon paper is improved. Therefore, the RFB provided with the RFB electrode of the present invention has a high voltage during charging and is excellent in battery performance. On the other hand, if the specific surface area exceeds 1.5 m 2 / g, the water contact angle on the surface of the carbon paper becomes too large. As a result, the electrolyte is easily repelled and the battery performance is lowered.

カーボンペーパーの厚さは、50〜500μmが好ましく、100〜400μmがより好ましい。 The thickness of the carbon paper is preferably 50 to 500 μm, more preferably 100 to 400 μm.

カーボンペーパーは、水銀圧入法により測定される細孔分布において少なくとも2つのピークを有することが好ましい。具体的には、細孔分布における細孔の半径が10μm以下の範囲と、細孔の半径が50μm以上の範囲に少なくとも1つずつピークを有することが好ましい。細孔分布において少なくとも2つのピークを有していれば、カーボンペーパーの比表面積を0.5〜1.5m/gに制御しやすくなり、電池性能に優れるRFBが得られる。 The carbon paper preferably has at least two peaks in the pore distribution measured by the mercury intrusion method. Specifically, it is preferable to have at least one peak in the range where the radius of the pores is 10 μm or less and the radius of the pores is 50 μm or more in the pore distribution. If the carbon paper has at least two peaks in the pore distribution, the specific surface area of the carbon paper can be easily controlled to 0.5 to 1.5 m 2 / g, and RFB having excellent battery performance can be obtained.

<作用効果>
以上説明した本発明のRFB用電極はカーボンペーパーからなるので、カーボンフェルトに比べて安価であり、薄く、繊維が毛羽立ちにくい。そのため、本発明のRFB用電極は、カーボンフェルトを用いた電極に比べて安価であり、薄膜化が容易であることから、電池の低コスト化や小型化が可能であり、しかも電流短絡が起こりにくい。
しかも、本発明のRFB用電極は、比表面積が0.5〜1.5m/gであるカーボンペーパーからなるので、反応活性が高い。
よって、本発明のRFB用電極を用いれば、低コスト化および小型化を実現でき、短絡しにくく、電池性能に優れたRFBが得られる。
<Effect>
Since the RFB electrode of the present invention described above is made of carbon paper, it is cheaper than carbon felt, thin, and the fibers are less likely to fluff. Therefore, the RFB electrode of the present invention is cheaper than the electrode using carbon felt and can be easily thinned, so that the battery can be reduced in cost and size, and a current short circuit occurs. Hateful.
Moreover, since the RFB electrode of the present invention is made of carbon paper having a specific surface area of 0.5 to 1.5 m 2 / g, it has high reaction activity.
Therefore, by using the RFB electrode of the present invention, it is possible to realize cost reduction and miniaturization, it is difficult to short-circuit, and RFB having excellent battery performance can be obtained.

「レドックスフロー電池用電極の製造方法」
<第一の実施形態>
本発明の第一の実施形態のRFB用電極の製造方法は、以下の(A1)工程、(A2)工程、(A3)工程および(A4)工程を有する。
(A1)工程:PAN系炭素繊維を用いて抄紙し、炭素繊維紙を作製する工程。
(A2)工程:(A1)工程で得られた炭素繊維紙に、炭素化後の残炭率が20質量%以上であるバインダ樹脂と、炭素フィラーとを含むバインダ樹脂組成物を含浸させ、前駆体シートを作製する工程。
(A3)工程:(A2)工程で得られた前駆体シートを加熱し、バインダ樹脂を硬化させる工程。
(A4)工程:(A3)工程後の前駆体シートを炭素化し、カーボンペーパーを作製する工程。
"Manufacturing method of electrodes for redox flow batteries"
<First Embodiment>
The method for manufacturing an RFB electrode according to the first embodiment of the present invention includes the following steps (A1), (A2), (A3) and (A4).
(A1) Step: A step of making carbon fiber paper by making paper using PAN-based carbon fiber.
Step (A2): The carbon fiber paper obtained in the step (A1) is impregnated with a binder resin composition containing a binder resin having a residual carbon content of 20% by mass or more after carbonization and a carbon filler, and a precursor is formed. The process of making a body sheet.
Step (A3): A step of heating the precursor sheet obtained in the step (A2) to cure the binder resin.
(A4) Step: A step of carbonizing the precursor sheet after the (A3) step to produce carbon paper.

((A1)工程)
(A1)工程は、PAN系炭素繊維を用いて抄紙し、炭素繊維紙を作製する工程である。
抄紙方法としては、液体の媒体中にPAN系炭素繊維を分散させて抄造する湿式法、空気中にPAN系炭素繊維を分散させて降り積もらせる乾式法などが適用できる。これらの中でも、PAN系炭素繊維が単繊維に分散するのを助け、分散した単繊維が再び収束するのを防止できる観点から、湿式法が好ましい。
なお、炭素繊維紙は、PAN系炭素繊維とともに、後述するバインダ短繊維を抄紙して作製してもよい。
((A1) process)
The step (A1) is a step of making a carbon fiber paper by making paper using PAN-based carbon fiber.
As the papermaking method, a wet method in which PAN-based carbon fibers are dispersed in a liquid medium for papermaking, a dry method in which PAN-based carbon fibers are dispersed in air and deposited, and the like can be applied. Among these, the wet method is preferable from the viewpoint of helping the PAN-based carbon fibers to be dispersed in the single fibers and preventing the dispersed single fibers from reconverging.
The carbon fiber paper may be produced by papermaking the binder short fibers described later together with the PAN-based carbon fibers.

((A2)工程)
(A2)工程は、(A1)工程で得られた炭素繊維紙に、炭素化後の残炭率が20質量%以上であるバインダ樹脂と、炭素フィラーとを含むバインダ樹脂組成物(以下、「樹脂組成物(A)」ともいう。)を含浸させ、前駆体シートを作製する工程である。
樹脂組成物(A)における炭素フィラーの割合は、炭素化前のバインダ樹脂100質量部に対して、1〜300質量部が好ましく、1〜100質量部がより好ましい。
((A2) process)
In the step (A2), a binder resin composition containing a binder resin having a residual carbon content of 20% by mass or more after carbonization and a carbon filler in the carbon fiber paper obtained in the step (A1) (hereinafter, "" This is a step of impregnating the resin composition (A) ”) to prepare a precursor sheet.
The ratio of the carbon filler in the resin composition (A) is preferably 1 to 300 parts by mass, more preferably 1 to 100 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the binder resin before carbonization.

なお、樹脂組成物(A)に、後述する、炭素化後の残炭率が15質量%以下である樹脂からなる粒子を配合してもよい。
樹脂組成物(A)における炭素化後の残炭率が15質量%以下である樹脂からなる粒子の割合は、炭素化前のバインダ樹脂100質量部に対して、100〜500質量部が好ましく、200〜400質量部がより好ましい。
The resin composition (A) may be mixed with particles made of a resin having a residual carbon content of 15% by mass or less after carbonization, which will be described later.
The proportion of particles made of a resin having a residual carbon content of 15% by mass or less after carbonization in the resin composition (A) is preferably 100 to 500 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the binder resin before carbonization. More preferably, 200 to 400 parts by mass.

炭素繊維紙に樹脂組成物(A)を含浸する方法としては特に制限されないが、連続的に行なうことができ、生産性および長尺ものも製造できるという点で、例えばコーターを用いて炭素繊維紙表面に樹脂組成物(A)を均一にコートする方法、絞り装置を用いるdip−nip方法、樹脂組成物(A)からなる樹脂フィルムと炭素繊維紙とを重ねて、樹脂組成物(A)を炭素繊維紙に転写する方法などが挙げられる。
炭素繊維紙への樹脂組成物(A)の含浸量は、炭素繊維紙100質量部に対して50〜200質量部が好ましく、60〜150質量部がより好ましい。
The method of impregnating the carbon fiber paper with the resin composition (A) is not particularly limited, but it can be carried out continuously, and the carbon fiber paper can be produced in terms of productivity and long length, for example, using a coater. A method of uniformly coating the surface of the resin composition (A), a dip-nip method using a drawing device, and a resin film made of the resin composition (A) and carbon fiber paper are laminated to form the resin composition (A). Examples include a method of transferring to carbon fiber paper.
The amount of the resin composition (A) impregnated into the carbon fiber paper is preferably 50 to 200 parts by mass, more preferably 60 to 150 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the carbon fiber paper.

((A3)工程)
(A3)工程は、(A2)工程で得られた前駆体シートを加熱し、バインダ樹脂を硬化させる工程である。
(A4)工程の前に(A3)工程を行うことで、PAN系炭素繊維を樹脂組成物(A)中のバインダ樹脂で融着させ、かつ得られるカーボンペーパーの厚みムラを低減できる。
((A3) process)
The step (A3) is a step of heating the precursor sheet obtained in the step (A2) to cure the binder resin.
By performing the step (A3) before the step (A4), the PAN-based carbon fibers can be fused with the binder resin in the resin composition (A), and the thickness unevenness of the obtained carbon paper can be reduced.

前駆体シートを加熱する方法としては、加熱加圧が好ましく、例えば前駆体シートの上下両面から平滑な剛板にて熱プレスする方法、連続ベルトプレス装置を用いて行う方法などが挙げられる。
連続製造による前駆体シートを加熱加圧する場合は、連続ベルトプレス装置を用いて行う方法が、長尺のカーボンペーパー(RFB用電極)を製造できるという点で好ましい。RFB用電極が長尺であれば、RFB用電極の生産性が高くなり、RFBのコスト低減化に大きく寄与することができる。また、本発明のRFB用電極は、連続的に巻き取ることも可能で、RFB用電極やRFBの生産性、コストの観点から好ましい。連続ベルト装置におけるプレス方法としては、ロールプレスによりベルトに線圧で圧力を加える方法と液圧ヘッドプレスにより面圧でプレスする方法があるが、後者の方がより平滑なRFB用電極が得られるという点で好ましい。
As a method for heating the precursor sheet, heating and pressurization is preferable, and examples thereof include a method of heat-pressing the precursor sheet from both the upper and lower surfaces with a smooth rigid plate, a method of using a continuous belt pressing device, and the like.
When the precursor sheet by continuous production is heated and pressed, the method using a continuous belt press device is preferable in that a long carbon paper (RFB electrode) can be produced. If the RFB electrode is long, the productivity of the RFB electrode can be increased, which can greatly contribute to the cost reduction of the RFB. Further, the RFB electrode of the present invention can be continuously wound, which is preferable from the viewpoint of productivity and cost of the RFB electrode and RFB. As a pressing method in a continuous belt device, there are a method of applying a linear pressure to the belt by a roll press and a method of pressing by a surface pressure by a hydraulic head press, and the latter method can obtain a smoother RFB electrode. It is preferable in that.

剛板に挟んで、または連続ベルトプレス装置で前駆体シートの加熱加圧を行う際は、剛板やベルトに樹脂組成物(A)などが付着しないように、予め剥離剤を塗っておくか、前駆体シートと剛板やベルトとの間に離型紙を挟んで加熱加圧を行うことが好ましい。 When sandwiching between rigid plates or when heating and pressurizing the precursor sheet with a continuous belt press device, do you apply a release agent in advance so that the resin composition (A) does not adhere to the rigid plate or belt? , It is preferable to heat and pressurize by sandwiching a paper pattern between the precursor sheet and the rigid plate or belt.

前駆体シートが加熱される温度は、効果的に表面を平滑にするために、100〜300℃が好ましく、120〜250℃がより好ましい。
前駆体シートが加圧される圧力は特に限定されないが、樹脂組成物(A)の比率が多い場合は、圧力が低くても前駆体シートの表面を平滑にすることが容易である。このとき必要以上にプレス圧を高くすることは、加圧時にPAN系炭素繊維を破壊する、RFB用電極としたときその組織が緻密になりすぎるなどの問題が生じる場合がある。よって、例えば20kPa〜10MPaの圧力で加圧することが好ましい。
加熱加圧の時間は、例えば30秒〜10分とすることができる。
The temperature at which the precursor sheet is heated is preferably 100 to 300 ° C, more preferably 120 to 250 ° C in order to effectively smooth the surface.
The pressure at which the precursor sheet is pressed is not particularly limited, but when the ratio of the resin composition (A) is large, it is easy to smooth the surface of the precursor sheet even if the pressure is low. At this time, if the press pressure is increased more than necessary, problems such as destruction of PAN-based carbon fibers during pressurization and excessively dense structure when used as an RFB electrode may occur. Therefore, for example, it is preferable to pressurize at a pressure of 20 kPa to 10 MPa.
The heating and pressurizing time can be, for example, 30 seconds to 10 minutes.

((A4)工程)
(A4)工程は、(A3)工程後の前駆体シートを炭素化し、カーボンペーパーを作製する工程である。
前駆体シートの炭素化は、PAN系炭素繊維を(A)中のバインダ樹脂で融着させ、かつバインダ樹脂を炭素化することより、カーボンペーパー(RFB用電極)の機械的強度と導電性を発現させることを目的に行う。
((A4) process)
The step (A4) is a step of carbonizing the precursor sheet after the step (A3) to produce carbon paper.
The carbonization of the precursor sheet is performed by fusing the PAN-based carbon fibers with the binder resin in (A) and carbonizing the binder resin to improve the mechanical strength and conductivity of the carbon paper (RFB electrode). The purpose is to express it.

炭素化は、RFB用電極の導電性を高めるために、不活性ガス中で行うことが好ましい。
炭素化は、1000℃以上の温度で行うことが好ましく、より好ましくは1000〜3000℃であり、さらに好ましくは1000〜2500℃である。炭素化の温度が1000℃以上であれば、充分な導電性を有するRFB用電極が得られる。
炭素化の時間は、例えば10分〜1時間とすることができる。
Carbonization is preferably carried out in an inert gas in order to increase the conductivity of the RFB electrode.
The carbonization is preferably carried out at a temperature of 1000 ° C. or higher, more preferably 1000 to 3000 ° C., still more preferably 1000 to 2500 ° C. When the carbonization temperature is 1000 ° C. or higher, an RFB electrode having sufficient conductivity can be obtained.
The carbonization time can be, for example, 10 minutes to 1 hour.

連続製造による前駆体シートを炭素化する場合は、前駆体シートの全長にわたって連続で炭素化を行うことが、低コスト化という観点で好ましい。RFB用電極が長尺であれば、RFB用電極の生産性が高くなり、RFBのコスト低減化に大きく寄与することができる。また、本発明のRFB用電極は、連続的に巻き取ることも可能で、RFB用電極やRFBの生産性、コストの観点から好ましい。 When carbonizing the precursor sheet by continuous production, it is preferable to continuously carbonize the precursor sheet over the entire length of the precursor sheet from the viewpoint of cost reduction. If the RFB electrode is long, the productivity of the RFB electrode can be increased, which can greatly contribute to the cost reduction of the RFB. Further, the RFB electrode of the present invention can be continuously wound, which is preferable from the viewpoint of productivity and cost of the RFB electrode and RFB.

(A4)工程により、炭素繊維紙に含浸した樹脂組成物(A)中のバインダ樹脂が炭素化され、炭化物となる。一方、樹脂組成物(A)中の炭素フィラーは、炭素化後もカーボンペーパーに残る。その結果、得られるカーボンペーパーの表面が凹凸状となる。具体的には、比表面積が0.5〜1.5m/gであるカーボンペーパーが得られる。
なお、樹脂組成物(A)が、炭素化後の残炭率が15質量%以下である樹脂からなる粒子を含む場合、この粒子は(A4)工程により消失する。この消失した部分が空隙となることから、カーボンペーパーの比表面積を0.5〜1.5m/gに制御しやすくなる。
こうして得られたカーボンペーパーをRFB用電極として用いる。
By the step (A4), the binder resin in the resin composition (A) impregnated in the carbon fiber paper is carbonized and becomes a carbide. On the other hand, the carbon filler in the resin composition (A) remains on the carbon paper even after carbonization. As a result, the surface of the obtained carbon paper becomes uneven. Specifically, a carbon paper having a specific surface area of 0.5 to 1.5 m 2 / g can be obtained.
When the resin composition (A) contains particles made of a resin having a residual carbon content of 15% by mass or less after carbonization, these particles disappear by the step (A4). Since this disappeared portion becomes a void, it becomes easy to control the specific surface area of the carbon paper to 0.5 to 1.5 m 2 / g.
The carbon paper thus obtained is used as an electrode for RFB.

(他の工程)
本発明の第一の実施形態のRFB用電極の製造方法は、(A3)工程と(A4)工程との間に、前処理工程および酸化処理工程の少なくとも一方を有していてもよい。
(Other processes)
The method for manufacturing an RFB electrode according to the first embodiment of the present invention may include at least one of a pretreatment step and an oxidation treatment step between the steps (A3) and (A4).

前処理工程では、前駆体シートを300〜800℃の程度の不活性雰囲気で焼成することが好ましい。 In the pretreatment step, it is preferable to bake the precursor sheet in an inert atmosphere of about 300 to 800 ° C.

酸化処理工程では、前駆体シートを200℃以上300℃未満の温度で酸化処理することが好ましい。
(A4)工程の前に酸化処理工程を行えば、PAN系炭素繊維をバインダ樹脂でより融着させ、かつバインダ樹脂の炭素化率をより向上させることができる。
酸化処理は、200℃以上300℃未満の温度範囲で行うことが好ましく、より好ましくは240〜270℃である。
酸化処理は、大気雰囲気下で行うことが好ましい。
酸化処理の時間は、例えば30分〜2時間とすることができる。
In the oxidation treatment step, it is preferable to perform the oxidation treatment of the precursor sheet at a temperature of 200 ° C. or higher and lower than 300 ° C.
If the oxidation treatment step is performed before the step (A4), the PAN-based carbon fibers can be more fused with the binder resin and the carbonization rate of the binder resin can be further improved.
The oxidation treatment is preferably carried out in a temperature range of 200 ° C. or higher and lower than 300 ° C., more preferably 240 to 270 ° C.
The oxidation treatment is preferably performed in an atmospheric atmosphere.
The time of the oxidation treatment can be, for example, 30 minutes to 2 hours.

連続製造による前駆体シートを酸化処理する場合は、前駆体シートの全長にわたって連続に行うことが低コスト化という観点で好ましい。RFB用電極が長尺であれば、RFB用電極の生産性が高くなり、RFBのコスト低減化に大きく寄与することができる。また、本発明のRFB用電極は、連続的に巻き取ることも可能で、RFB用電極やRFBの生産性、コストの観点から好ましい。 When the precursor sheet by continuous production is subjected to the oxidation treatment, it is preferable to carry out the oxidation treatment continuously over the entire length of the precursor sheet from the viewpoint of cost reduction. If the RFB electrode is long, the productivity of the RFB electrode can be increased, which can greatly contribute to the cost reduction of the RFB. Further, the RFB electrode of the present invention can be continuously wound, which is preferable from the viewpoint of productivity and cost of the RFB electrode and RFB.

<第二の実施形態>
本発明の第二の実施形態のRFB用電極の製造方法は、以下の(B1)工程、(B2)工程、(B3)工程および(B4)工程を有する。
(B1)工程:PAN系炭素繊維と非PAN系炭素繊維とを用いて抄紙し、炭素繊維紙を作製する工程。
(B2)工程:(B1)工程で得られた炭素繊維紙に、炭素化後の残炭率が20質量%以上であるバインダ樹脂を含浸させ、前駆体シートを作製する工程。
(B3)工程:(B2)工程で得られた前駆体シートを加熱し、バインダ樹脂を硬化させる工程。
(B4)工程:(B3)工程後の前駆体シートを炭素化し、カーボンペーパーを作製する工程。
<Second embodiment>
The method for manufacturing an RFB electrode according to the second embodiment of the present invention includes the following steps (B1), (B2), (B3) and (B4).
(B1) Step: A step of making carbon fiber paper by making paper using PAN-based carbon fibers and non-PAN-based carbon fibers.
Step (B2): A step of impregnating the carbon fiber paper obtained in the step (B1) with a binder resin having a residual carbon content of 20% by mass or more after carbonization to prepare a precursor sheet.
Step (B3): A step of heating the precursor sheet obtained in the step (B2) to cure the binder resin.
(B4) Step: A step of carbonizing the precursor sheet after the (B3) step to produce carbon paper.

((B1)工程)
(B1)工程は、PAN系炭素繊維と非PAN系炭素繊維とを用いて抄紙し、炭素繊維紙を作製する工程である。
非PAN系炭素繊維の割合は、PAN系炭素繊維100質量部に対して、1〜100質量部が好ましく、1〜50質量部がより好ましい。
((B1) process)
The step (B1) is a step of making a carbon fiber paper by making paper using PAN-based carbon fibers and non-PAN-based carbon fibers.
The ratio of the non-PAN-based carbon fibers is preferably 1 to 100 parts by mass, more preferably 1 to 50 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the PAN-based carbon fibers.

抄紙方法としては、液体の媒体中にPAN系炭素繊維と非PAN系炭素繊維の混合物を分散させて抄造する湿式法、空気中にPAN系炭素繊維と非PAN系炭素繊維の混合物を分散させて降り積もらせる乾式法などが適用できる。これらの中でも、PAN系炭素繊維および非PAN系炭素繊維が単繊維に分散するのを助け、分散した単繊維が再び収束するのを防止できる観点から、湿式法が好ましい。 Papermaking methods include a wet method in which a mixture of PAN-based carbon fibers and non-PAN-based carbon fibers is dispersed in a liquid medium for papermaking, and a wet method in which a mixture of PAN-based carbon fibers and non-PAN-based carbon fibers is dispersed in air. The dry method of stacking can be applied. Among these, the wet method is preferable from the viewpoint of helping the PAN-based carbon fibers and the non-PAN-based carbon fibers to be dispersed in the single fibers and preventing the dispersed single fibers from reconverging.

PAN系炭素繊維と非PAN系炭素繊維を混合する方法としては、PAN系炭素繊維とともに水中で攪拌分散させる方法と、直接混ぜ込む方法があるが、均一に分散させるためには水中で拡散分散させる方法が好ましい。
なお、炭素繊維紙は、PAN系炭素繊維および非PAN系炭素繊維とともに、後述するバインダ短繊維を抄紙して作製してもよい。
As a method of mixing the PAN-based carbon fiber and the non-PAN-based carbon fiber, there are a method of stirring and dispersing the PAN-based carbon fiber together with the PAN-based carbon fiber in water and a method of directly mixing the PAN-based carbon fiber. The method is preferred.
The carbon fiber paper may be produced by papermaking the binder short fibers described later together with the PAN-based carbon fibers and the non-PAN-based carbon fibers.

((B2)工程)
(B2)工程は、(B1)工程で得られた炭素繊維紙に、炭素化後の残炭率が20質量%以上であるバインダ樹脂を含浸させ、前駆体シートを作製する工程である。
バインダ樹脂の含浸方法は、第一の実施形態において説明した(A2)工程と同じである。
なお、バインダ樹脂と炭素フィラーとを混合してバインダ樹脂組成物(以下、「樹脂組成物(B)」ともいう。)を炭素繊維紙に含浸させてもよい。また、樹脂組成物(B)に、後述する、炭素化後の残炭率が15質量%以下である樹脂からなる粒子を配合してもよい。
((B2) process)
The step (B2) is a step of impregnating the carbon fiber paper obtained in the step (B1) with a binder resin having a residual carbon content of 20% by mass or more after carbonization to prepare a precursor sheet.
The method of impregnating the binder resin is the same as the step (A2) described in the first embodiment.
The binder resin and the carbon filler may be mixed and impregnated with the binder resin composition (hereinafter, also referred to as “resin composition (B)”) in the carbon fiber paper. Further, the resin composition (B) may be mixed with particles made of a resin having a residual carbon content after carbonization of 15% by mass or less, which will be described later.

((B3)工程)
(B3)工程は、(B2)工程で得られた前駆体シートを加熱し、バインダ樹脂を硬化させる工程である。
前駆体シートを加熱する方法および条件は、第一の実施形態において説明した(A3)工程と同じである。
((B3) process)
The step (B3) is a step of heating the precursor sheet obtained in the step (B2) to cure the binder resin.
The method and conditions for heating the precursor sheet are the same as in step (A3) described in the first embodiment.

((B4)工程)
(B4)工程は、(B3)工程後の前駆体シートを炭素化し、カーボンペーパーを作製する工程である。
前駆体シートを炭素化する方法および条件は、第一の実施形態において説明した(A4)工程と同じである。
((B4) process)
The step (B4) is a step of carbonizing the precursor sheet after the step (B3) to produce carbon paper.
The method and conditions for carbonizing the precursor sheet are the same as the step (A4) described in the first embodiment.

(B4)工程により、炭素繊維紙に含浸したバインダ樹脂が炭素化され、炭化物となる。また、炭素繊維紙はPAN系炭素繊維と非PAN系炭素繊維とで構成されているので、得られるカーボンペーパーの表面が凹凸状となる。具体的には、比表面積が0.5〜1.5m/gであるカーボンペーパーが得られる。特に、活性炭繊維は、それ自体の表面が凹凸形状を有している。よって、非PAN系炭素繊維として活性炭繊維を用いれば、カーボンペーパーの比表面積を0.5〜1.5m/gに制御しやすい。 By the step (B4), the binder resin impregnated in the carbon fiber paper is carbonized and becomes a carbide. Further, since the carbon fiber paper is composed of PAN-based carbon fibers and non-PAN-based carbon fibers, the surface of the obtained carbon paper becomes uneven. Specifically, a carbon paper having a specific surface area of 0.5 to 1.5 m 2 / g can be obtained. In particular, the surface of the activated carbon fiber itself has an uneven shape. Therefore, if activated carbon fiber is used as the non-PAN-based carbon fiber, the specific surface area of the carbon paper can be easily controlled to 0.5 to 1.5 m 2 / g.

なお、炭素繊維紙に、バインダ樹脂とともに炭素フィラーを含浸させた場合、炭素フィラーは、炭素化後もカーボンペーパーに残るため、カーボンペーパーの表面が凹凸状となりやすく、カーボンペーパーの比表面積を0.5〜1.5m/gにより制御しやすくなる。
一方、炭素繊維紙に、炭素化後の残炭率が15質量%以下である樹脂からなる粒子を含浸させた場合、この粒子は炭素化後に消失する。この消失した部分が空隙となることから、カーボンペーパーの比表面積を0.5〜1.5m/gにより制御しやすくなる。
こうして得られたカーボンペーパーをRFB用電極として用いる。
When the carbon fiber paper is impregnated with the carbon filler together with the binder resin, the carbon filler remains on the carbon paper even after carbonization, so that the surface of the carbon paper tends to be uneven, and the specific surface area of the carbon paper is reduced to 0. 5 to 1.5 m 2 / g makes it easier to control.
On the other hand, when carbon fiber paper is impregnated with particles made of a resin having a residual carbon content of 15% by mass or less after carbonization, these particles disappear after carbonization. Since this disappeared portion becomes a void, the specific surface area of the carbon paper can be easily controlled by 0.5 to 1.5 m 2 / g.
The carbon paper thus obtained is used as an electrode for RFB.

(他の工程)
本発明の第二の実施形態のRFB用電極の製造方法は、(B3)工程と(B4)工程との間に、前処理工程および酸化処理工程の少なくとも一方を有していてもよい。
前処理工程および酸化処理工程は、第一の実施形態において説明した前処理工程および酸化処理工程と同様である。
(Other processes)
The method for producing an RFB electrode according to the second embodiment of the present invention may include at least one of a pretreatment step and an oxidation treatment step between the steps (B3) and (B4).
The pretreatment step and the oxidation treatment step are the same as the pretreatment step and the oxidation treatment step described in the first embodiment.

<第三の実施形態>
本発明の第三の実施形態のRFB用電極の製造方法は、以下の(C1)工程、(C2)工程、(C3)工程および(C4)工程を有する。
(C1)工程:PAN系炭素繊維を用いて抄紙し、炭素繊維紙を作製する工程。
(C2)工程:(C1)工程で得られた炭素繊維紙に、炭素化後の残炭率が20質量%以上であるバインダ樹脂と、炭素化後の残炭率が15質量%以下である樹脂からなる粒子とを含むバインダ樹脂組成物を含浸させ、前駆体シートを作製する工程。
(C3)工程:(C2)工程で得られた前駆体シートを加熱し、バインダ樹脂を硬化させる工程。
(C4)工程:(C3)工程後の前駆体シートを炭素化し、カーボンペーパーを作製する工程。
<Third embodiment>
The method for manufacturing an RFB electrode according to a third embodiment of the present invention includes the following steps (C1), (C2), (C3) and (C4).
(C1) Step: A step of making carbon fiber paper by making paper using PAN-based carbon fiber.
Step (C2): The carbon fiber paper obtained in the step (C1) has a binder resin having a residual carbon content of 20% by mass or more after carbonization and a residual carbon content of 15% by mass or less after carbonization. A step of impregnating a binder resin composition containing particles made of resin to prepare a precursor sheet.
Step (C3): A step of heating the precursor sheet obtained in the step (C2) to cure the binder resin.
(C4) Step: A step of carbonizing the precursor sheet after the (C3) step to produce carbon paper.

((C1)工程)
(C1)工程は、PAN系炭素繊維を用いて抄紙し、炭素繊維紙を作製する工程である。
抄紙方法としては、第一の実施形態において説明した(A1)工程と同じである。
((C1) process)
The step (C1) is a step of making a carbon fiber paper by making paper using PAN-based carbon fiber.
The papermaking method is the same as the step (A1) described in the first embodiment.

炭素繊維紙は、PAN系炭素繊維とともにバインダ短繊維を抄紙して作製してもよい。バインダ短繊維を併用することで、炭素繊維紙中でPAN系炭素繊維の配向が変化するのを抑制できる。
バインダ短繊維としては、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリ酢酸ビニル、ポリエチレンテレフタレート(PET)からなる繊維などを用いることができる。これらの中でも、結着力に優れ、PAN系炭素繊維の脱落をより効果的に抑制できる観点で、PVAからなるバインダ短繊維が好ましい。
これらは、1種を単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。PETからなるバインダ短繊維が好ましい。
The carbon fiber paper may be produced by papermaking binder short fibers together with PAN-based carbon fibers. By using the binder short fibers together, it is possible to suppress the change in the orientation of the PAN-based carbon fibers in the carbon fiber paper.
As the binder short fibers, fibers made of polyvinyl alcohol (PVA), polyvinyl acetate, polyethylene terephthalate (PET) and the like can be used. Among these, binder short fibers made of PVA are preferable from the viewpoint of excellent binding force and more effective suppression of PAN-based carbon fibers from falling off.
These may be used alone or in combination of two or more. Binder short fibers made of PET are preferable.

((C2)工程)
(C2)工程は、(C1)工程で得られた炭素繊維紙に、炭素化後の残炭率が20質量%以上であるバインダ樹脂と、炭素化後の残炭率が15質量%以下である樹脂からなる粒子とを含むバインダ樹脂組成物(以下、「樹脂組成物(C)」ともいう。)を含浸させ、前駆体シートを作製する工程である。
((C2) process)
In the step (C2), the carbon fiber paper obtained in the step (C1) has a binder resin having a residual carbonization ratio of 20% by mass or more after carbonization and a residual carbonization ratio of 15% by mass or less after carbonization. This is a step of impregnating a binder resin composition containing particles made of a certain resin (hereinafter, also referred to as “resin composition (C)”) to prepare a precursor sheet.

炭素化後の残炭率が15質量%以下の樹脂からなる粒子に用いる樹脂は、炭素化時に熱分解して、導電性物質としてほとんど残存しない物質が好ましい。炭素化後の残炭率が10質量%以下の樹脂がより好ましい。
ここで、「残炭率」とは、樹脂を1200℃以上の温度で炭素化したときの質量を炭素化前の質量で割って100を乗じた値である。
The resin used for the particles made of the resin having a residual carbon content of 15% by mass or less after carbonization is preferably a substance that is thermally decomposed at the time of carbonization and hardly remains as a conductive substance. A resin having a residual carbon content of 10% by mass or less after carbonization is more preferable.
Here, the "residual carbon ratio" is a value obtained by dividing the mass when the resin is carbonized at a temperature of 1200 ° C. or higher by the mass before carbonization and multiplying by 100.

残炭率が15質量%以下の樹脂としては、ポリメタクリル酸メチル等のアクリル樹脂、ポリスチレン、テトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂、ポリエチレン、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルアルコールなどが挙げられる。例えば炭素化後の残炭率が20質量%以上であるバインダ樹脂としてフェノール樹脂を用いる場合、ポリメタクリル酸メチル等のアクリル樹脂やポリスチレンは、炭素化後の残炭率が20質量%以上のバインダ樹脂の溶液中で不溶であるため、粒子形状を維持できるという点で好ましい。
これらは、1種を単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
Examples of the resin having a residual carbon content of 15% by mass or less include acrylic resins such as polymethyl methacrylate, fluororesins such as polystyrene and tetrafluoroethylene, polyethylene, polyvinyl acetate, and polyvinyl alcohol. For example, when a phenol resin is used as a binder resin having a residual carbon content of 20% by mass or more after carbonization, an acrylic resin such as polymethyl methacrylate or polystyrene has a binder having a residual carbon content of 20% by mass or more after carbonization. Since it is insoluble in the resin solution, it is preferable in that the particle shape can be maintained.
These may be used alone or in combination of two or more.

炭素化後の残炭率が15質量%以下の樹脂からなる粒子の形状は、真球状、楕円状、ブロック状など、どのような形態であってよいが、炭素化時に消失することによって形成される空孔が連続的である点において真球状が好ましい。
粒子の平均粒子径は、炭素繊維紙中の空隙に包含させる点において、2μm以下であることが好ましい。また形成させる空隙によって保水性、排水性が向上する点において10nm以上であることが好ましい。粒子の平均粒子径は、30nm以上、1μm以下がより好ましく、50〜600nmがさらに好ましい。
粒子径の分布の分散性は高くても低くてもよいが、より精密に空隙サイズを制御できるという点から単分散性が高いほうが好ましい。また、単分散性が高い粒子径を持つ炭素化後の残炭率が15質量%以下の樹脂からなる粒子単体を用いてもよいが、単分散性が高い粒子径を持つ炭素化後の残炭率が15質量%以下の樹脂からなる粒子が複数からなる混合物を用いてもよい。
炭素化後の残炭率が15質量%以下の樹脂からなる粒子の製造方法は、例えば、シード乳化重合法が挙げられる。分散媒は、粒子が溶解せず、取り扱い良好な水系溶媒が好ましい。
The shape of the particles made of resin having a residual carbon content of 15% by mass or less after carbonization may be any shape such as spherical, elliptical, and block-shaped, but they are formed by disappearing during carbonization. A true spherical shape is preferable in that the pores are continuous.
The average particle size of the particles is preferably 2 μm or less in terms of inclusion in the voids in the carbon fiber paper. Further, it is preferably 10 nm or more in that the water retention and drainage properties are improved by the voids to be formed. The average particle size of the particles is more preferably 30 nm or more and 1 μm or less, further preferably 50 to 600 nm.
The dispersibility of the particle size distribution may be high or low, but it is preferable that the monodispersity is high from the viewpoint that the void size can be controlled more precisely. Further, a single particle made of a resin having a particle size having a high monodispersity and a residual carbonization ratio of 15% by mass or less after carbonization may be used, but the residue after carbonization having a particle size having a high monodispersity may be used. A mixture consisting of a plurality of particles made of a resin having a carbon content of 15% by mass or less may be used.
Examples of the method for producing particles made of a resin having a residual carbon content of 15% by mass or less after carbonization include a seed emulsification polymerization method. The dispersion medium is preferably an aqueous solvent in which particles do not dissolve and is easy to handle.

樹脂組成物(C)における、炭素化後の残炭率が15質量%以下の樹脂からなる粒子の割合は、炭素化前のバインダ樹脂100質量部に対して、100〜500質量部が好ましく、200〜400質量部がより好ましい。
樹脂組成物(C)の含浸方法は、第一の実施形態において説明した(A2)工程と同じである。
The proportion of particles made of a resin having a residual carbon content of 15% by mass or less after carbonization in the resin composition (C) is preferably 100 to 500 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the binder resin before carbonization. More preferably, 200 to 400 parts by mass.
The impregnation method of the resin composition (C) is the same as the step (A2) described in the first embodiment.

((C3)工程)
(C3)工程は、(C2)工程で得られた前駆体シートを加熱し、バインダ樹脂を硬化させる工程である。
前駆体シートを加熱する方法および条件は、第一の実施形態において説明した(A3)工程と同じである。
((C3) process)
The step (C3) is a step of heating the precursor sheet obtained in the step (C2) to cure the binder resin.
The method and conditions for heating the precursor sheet are the same as in step (A3) described in the first embodiment.

((C4)工程)
(C4)工程は、(C3)工程後の前駆体シートを炭素化し、カーボンペーパーを作製する工程である。
前駆体シートを炭素化する方法および条件は、第一の実施形態において説明した(A4)工程と同じである。
((C4) process)
The step (C4) is a step of carbonizing the precursor sheet after the step (C3) to produce carbon paper.
The method and conditions for carbonizing the precursor sheet are the same as the step (A4) described in the first embodiment.

(C4)工程により、炭素繊維紙に含浸した、樹脂組成物(C)中のバインダ樹脂が炭素化され、炭化物となる。一方、樹脂組成物(C)中の炭素化後の残炭率が15質量%以下である樹脂からなる粒子は、消失する。その結果、得られるカーボンペーパーの表面が凹凸状となる。具体的には、比表面積が0.5〜1.5m/gであるカーボンペーパーが得られる。
こうして得られたカーボンペーパーをRFB用電極として用いる。
By the step (C4), the binder resin in the resin composition (C) impregnated with the carbon fiber paper is carbonized and becomes a carbide. On the other hand, the particles made of the resin in the resin composition (C) having a residual carbon content of 15% by mass or less after carbonization disappear. As a result, the surface of the obtained carbon paper becomes uneven. Specifically, a carbon paper having a specific surface area of 0.5 to 1.5 m 2 / g can be obtained.
The carbon paper thus obtained is used as an electrode for RFB.

(他の工程)
本発明の第三の実施形態のRFB用電極の製造方法は、(C3)工程と(C4)工程との間に、前処理工程および酸化処理工程の少なくとも一方を有していてもよい。
前処理工程および酸化処理工程は、第一の実施形態において説明した前処理工程および酸化処理工程と同様である。
(Other processes)
The method for manufacturing an RFB electrode according to a third embodiment of the present invention may include at least one of a pretreatment step and an oxidation treatment step between the (C3) step and the (C4) step.
The pretreatment step and the oxidation treatment step are the same as the pretreatment step and the oxidation treatment step described in the first embodiment.

<第四の実施形態>
本発明の第四の実施形態のRFB用電極の製造方法は、以下の(D1)工程、(D2)工程、(D3)工程、(D4)工程、(D5)工程および(D6)工程を有する。
(D1)工程:PAN系炭素繊維を用いて抄紙し、炭素繊維紙を作製する工程。
(D2)工程:(D1)工程で得られた炭素繊維紙に、炭素化後の残炭率が20質量%以上であるバインダ樹脂を含浸させ、前駆体シートを作製する工程。
(D3)工程:前記前駆体シートを前記バインダ樹脂の貧溶媒に浸漬させて、前駆体シート中のバインダ樹脂を凝固させる工程。
(D4)工程:(D3)工程後の前駆体シートから前記貧溶媒を除去する工程。
(D5)工程:(D4)工程後の前駆体シートを加熱し、前駆体シート中のバインダ樹脂を硬化させる工程。
(D6)工程:(D5)工程後の前駆体シートを炭素化し、カーボンペーパーを作製する工程。
<Fourth Embodiment>
The method for manufacturing an RFB electrode according to a fourth embodiment of the present invention includes the following steps (D1), (D2), (D3), (D4), (D5) and (D6). ..
(D1) Step: A step of making carbon fiber paper by making paper using PAN-based carbon fiber.
Step (D2): A step of impregnating the carbon fiber paper obtained in the step (D1) with a binder resin having a residual carbon content of 20% by mass or more after carbonization to prepare a precursor sheet.
(D3) Step: A step of immersing the precursor sheet in a poor solvent of the binder resin to solidify the binder resin in the precursor sheet.
(D4) Step: A step of removing the poor solvent from the precursor sheet after the (D3) step.
Step (D5): A step of heating the precursor sheet after the step (D4) to cure the binder resin in the precursor sheet.
(D6) Step: A step of carbonizing the precursor sheet after the (D5) step to produce carbon paper.

((D1)工程)
(D1)工程は、PAN系炭素繊維を用いて抄紙し、炭素繊維紙を作製する工程である。
抄紙方法としては、第一の実施形態において説明した(A1)工程と同じである。
炭素繊維紙は、PAN系炭素繊維とともにバインダ短繊維や非PAN系炭素繊維を抄紙して作製してもよい。
((D1) step)
The step (D1) is a step of making a carbon fiber paper by making paper using PAN-based carbon fibers.
The papermaking method is the same as the step (A1) described in the first embodiment.
The carbon fiber paper may be produced by papermaking binder short fibers or non-PAN-based carbon fibers together with PAN-based carbon fibers.

((D2)工程)
(D2)工程は、(D1)工程で得られた炭素繊維紙に、炭素化後の残炭率が20質量%以上であるバインダ樹脂を含浸させ、前駆体シートを作製する工程である。
バインダ樹脂の含浸方法は、第一の実施形態において説明した(A2)工程と同じである。
なお、バインダ樹脂と炭素フィラーとを混合してバインダ樹脂組成物(以下、「樹脂組成物(D)」ともいう。)を炭素繊維紙に含浸させてもよい。また、樹脂組成物(D)に、炭素化後の残炭率が15質量%以下である樹脂からなる粒子を配合してもよい。
((D2) process)
The step (D2) is a step of impregnating the carbon fiber paper obtained in the step (D1) with a binder resin having a residual carbon content of 20% by mass or more after carbonization to prepare a precursor sheet.
The method of impregnating the binder resin is the same as the step (A2) described in the first embodiment.
The binder resin and the carbon filler may be mixed and impregnated with the binder resin composition (hereinafter, also referred to as “resin composition (D)”) in the carbon fiber paper. Further, the resin composition (D) may be blended with particles made of a resin having a residual carbon content of 15% by mass or less after carbonization.

((D3)工程)
(D3)工程は、前記前駆体シートを前記バインダ樹脂の貧溶媒に浸漬させて、前駆体シート中のバインダ樹脂を凝固させる工程である。
バインダ樹脂の貧溶媒としては、一般的には水系溶媒を用いることができるが、バインダ樹脂に対して貧溶媒となるものであれば特に限定されない。例えば、バインダ樹脂としてポリアクリロニトリルを用いた場合は、水、水とジメチルアセトアミドとの混合溶媒などを用いることができる。また、バインダ樹脂としてフェノール樹脂を用いた場合は、水、水とアルコールとの混合溶媒を用いることができる。
貧溶媒は、1種を単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
((D3) process)
The step (D3) is a step of immersing the precursor sheet in the poor solvent of the binder resin to solidify the binder resin in the precursor sheet.
As the poor solvent for the binder resin, an aqueous solvent can be generally used, but it is not particularly limited as long as it is a poor solvent for the binder resin. For example, when polyacrylonitrile is used as the binder resin, water, a mixed solvent of water and dimethylacetamide, or the like can be used. When a phenol resin is used as the binder resin, water or a mixed solvent of water and alcohol can be used.
As the poor solvent, one type may be used alone, or two or more types may be used in combination.

前駆体シート中のバインダ樹脂を凝固させることによって空隙を形成させることができ、バインダ樹脂の多孔質化を促すことができる。
空隙形成は、凝固浴中での凝固速度に依存する。凝固速度が比較的速い方が空隙を形成しやすいため、炭素繊維紙に炭素繊維紙を含浸させた際の樹脂溶液濃度、凝固浴組成、凝固浴温度によって精密に制御できる。
樹脂溶液濃度としては、含浸時の作業性の点で5〜40質量%とすることが好ましい。
また、例えば、バインダ樹脂としてポリアクリロニトリルまたはフェノール樹脂を用い、貧溶媒となる凝固浴として水を用いた場合、好ましい凝固浴温度10℃〜80℃である。
By coagulating the binder resin in the precursor sheet, voids can be formed, and the porosity of the binder resin can be promoted.
Void formation depends on the rate of coagulation in the coagulation bath. Since voids are more likely to be formed when the solidification rate is relatively high, it can be precisely controlled by the resin solution concentration, the coagulation bath composition, and the coagulation bath temperature when the carbon fiber paper is impregnated with the carbon fiber paper.
The resin solution concentration is preferably 5 to 40% by mass in terms of workability during impregnation.
Further, for example, when polyacrylonitrile or phenol resin is used as the binder resin and water is used as the coagulation bath which is a poor solvent, the coagulation bath temperature is preferably 10 ° C. to 80 ° C.

((D4)工程)
(D4)工程は、(D3)工程後の前駆体シートから前記貧溶媒を除去する工程である。
貧溶媒の除去方法としては、加熱乾燥や真空乾燥などが挙げられる。
乾燥温度は、貧溶媒の沸点近傍であり、かつ樹脂硬化に影響しにくい温度域が好ましい。例えば、貧溶媒が水である場合、乾燥温度は80〜120℃が好ましい。
((D4) process)
The step (D4) is a step of removing the poor solvent from the precursor sheet after the step (D3).
Examples of the method for removing the poor solvent include heat drying and vacuum drying.
The drying temperature is preferably in a temperature range close to the boiling point of the poor solvent and which does not easily affect the resin curing. For example, when the poor solvent is water, the drying temperature is preferably 80 to 120 ° C.

((D5)工程)
(D5)工程は、(D4)工程後の前駆体シートを加熱し、前駆体シート中のバインダ樹脂を硬化させる工程である。
前駆体シートを加熱する方法および条件は、第一の実施形態において説明した(A3)工程と同じである。
((D5) step)
The step (D5) is a step of heating the precursor sheet after the step (D4) to cure the binder resin in the precursor sheet.
The method and conditions for heating the precursor sheet are the same as in step (A3) described in the first embodiment.

((D6)工程)
(D6)工程は、(D5)工程後の前駆体シートを炭素化し、カーボンペーパーを作製する工程である。
前駆体シートを炭素化する方法および条件は、第一の実施形態において説明した(A4)工程と同じである。
((D6) step)
The step (D6) is a step of carbonizing the precursor sheet after the step (D5) to produce carbon paper.
The method and conditions for carbonizing the precursor sheet are the same as the step (A4) described in the first embodiment.

(D6)工程により、炭素繊維紙に含浸したバインダ樹脂が炭素化され、炭化物となる。上述したように、(D3)工程によりバインダ樹脂を凝固させることによってバインダ樹脂は多孔質化され、空隙が形成される。すなわち、バインダ樹脂の炭化物は多孔質化している。よって、得られるカーボンペーパーの表面が凹凸状となる。具体的には、比表面積が0.5〜1.5m/gであるカーボンペーパーが得られる。
こうして得られたカーボンペーパーをRFB用電極として用いる。
By the step (D6), the binder resin impregnated in the carbon fiber paper is carbonized and becomes a carbide. As described above, by solidifying the binder resin in the step (D3), the binder resin is made porous and voids are formed. That is, the carbide of the binder resin is made porous. Therefore, the surface of the obtained carbon paper becomes uneven. Specifically, a carbon paper having a specific surface area of 0.5 to 1.5 m 2 / g can be obtained.
The carbon paper thus obtained is used as an electrode for RFB.

(他の工程)
本発明の第四の実施形態のRFB用電極の製造方法は、(D5)工程と(D6)工程との間に、前処理工程および酸化処理工程の少なくとも一方を有していてもよい。
前処理工程および酸化処理工程は、第一の実施形態において説明した前処理工程および酸化処理工程と同様である。
(Other processes)
The method for manufacturing an RFB electrode according to a fourth embodiment of the present invention may include at least one of a pretreatment step and an oxidation treatment step between the (D5) step and the (D6) step.
The pretreatment step and the oxidation treatment step are the same as the pretreatment step and the oxidation treatment step described in the first embodiment.

<第五の実施形態>
本発明の第五の実施形態のRFB用電極の製造方法は、以下の(E1)工程、(E2)工程、(E3)工程、(E4)工程、(E5)工程、(E6)工程および(E7)工程を有する。
(E1)工程:PAN系炭素繊維を用いて抄紙し、炭素繊維紙を作製する工程。
(E2)工程:(E1)工程で得られた炭素繊維紙に、炭素化後の残炭率が20質量%以上であるバインダ樹脂と、ポリビニルピロリドンとを含むバインダ樹脂組成物を含浸させ、前駆体シートを作製する工程。
(E3)工程:前記前駆体シート中のバインダ樹脂とポリビニルピロリドンとを相分離させる工程。
(E4)工程:(E3)工程後の前駆体シートを前記バインダ樹脂の貧溶媒に浸漬させて、前駆体シート中のバインダ樹脂を凝固させる工程。
(E5)工程:(E4)工程後の前駆体シートから前記貧溶媒を除去する工程。
(E6)工程:(E5)工程後の前駆体シートを加熱し、前駆体シート中のバインダ樹脂を硬化させる工程。
(E7)工程:(E6)工程後の前駆体シートを炭素化し、カーボンペーパーを作製する工程。
<Fifth Embodiment>
The method for manufacturing the RFB electrode according to the fifth embodiment of the present invention includes the following steps (E1), (E2), (E3), (E4), (E5), (E6) and (E6). E7) It has a step.
(E1) Step: A step of making carbon fiber paper by making paper using PAN-based carbon fiber.
Step (E2): The carbon fiber paper obtained in the step (E1) is impregnated with a binder resin composition containing a binder resin having a residual carbon content of 20% by mass or more after carbonization and polyvinylpyrrolidone, and a precursor. The process of making a body sheet.
(E3) Step: A step of phase-separating the binder resin and polyvinylpyrrolidone in the precursor sheet.
(E4) Step: A step of immersing the precursor sheet after the step (E3) in the poor solvent of the binder resin to solidify the binder resin in the precursor sheet.
(E5) Step: A step of removing the poor solvent from the precursor sheet after the (E4) step.
(E6) Step: A step of heating the precursor sheet after the step (E5) to cure the binder resin in the precursor sheet.
(E7) Step: A step of carbonizing the precursor sheet after the (E6) step to produce carbon paper.

((E1)工程)
(E1)工程は、PAN系炭素繊維を用いて抄紙し、炭素繊維紙を作製する工程である。
抄紙方法としては、第一の実施形態において説明した(A1)工程と同じである。
炭素繊維紙は、PAN系炭素繊維とともにバインダ短繊維や非PAN系炭素繊維を抄紙して作製してもよい。
((E1) process)
The step (E1) is a step of making a carbon fiber paper by making paper using PAN-based carbon fiber.
The papermaking method is the same as the step (A1) described in the first embodiment.
The carbon fiber paper may be produced by papermaking binder short fibers or non-PAN-based carbon fibers together with PAN-based carbon fibers.

((E2)工程)
(E2)工程は、(E1)工程で得られた炭素繊維紙に、炭素化後の残炭率が20質量%以上であるバインダ樹脂と、ポリビニルピロリドンとを含むバインダ樹脂組成物(以下、「樹脂組成物(E)」ともいう。)を含浸させ、前駆体シートを作製する工程である。
ポリビニルピロリドンは、バインダ樹脂と相分離可能であり、しかも炭素化時に導電性物質としてほとんど残存しない樹脂である。また、ポリビニルピロリドンは相分離構造を形成した後、洗浄によって容易に除去できる。
((E2) process)
In the step (E2), a binder resin composition containing a binder resin having a residual carbon content of 20% by mass or more after carbonization and polyvinylpyrrolidone in the carbon fiber paper obtained in the step (E1) (hereinafter, "" This is a step of impregnating the resin composition (E) ”) to prepare a precursor sheet.
Polyvinylpyrrolidone is a resin that is phase-separable from the binder resin and that hardly remains as a conductive substance during carbonization. Further, polyvinylpyrrolidone can be easily removed by washing after forming a phase-separated structure.

樹脂組成物(E)における、ポリビニルピロリドンの割合は、炭素化前のバインダ樹脂100質量部に対して、1〜100質量部が好ましく、1〜50質量部がより好ましい。
樹脂組成物(E)の含浸方法は、第一の実施形態において説明した(A2)工程と同じである。
なお、樹脂組成物(E)に、炭素フィラーや炭素化後の残炭率が15質量%以下である樹脂からなる粒子を配合してもよい。
The ratio of polyvinylpyrrolidone in the resin composition (E) is preferably 1 to 100 parts by mass, more preferably 1 to 50 parts by mass, based on 100 parts by mass of the binder resin before carbonization.
The impregnation method of the resin composition (E) is the same as the step (A2) described in the first embodiment.
The resin composition (E) may be mixed with particles made of a carbon filler or a resin having a residual carbon content after carbonization of 15% by mass or less.

((E3)工程)
(E3)工程は、前記前駆体シート中のバインダ樹脂とポリビニルピロリドンとを相分離させる工程である。
バインダ樹脂とポリビニルピロリドンの相分離は、前駆体シートを静置または吸湿させればよく、こうすることで相分離構造を形成することができる。
例えば、バインダ樹脂とフェノール樹脂を用い、雰囲気を相対湿度90%、温度60℃で吸湿させた場合、好ましい相分離時間は5秒〜2分である。
バインダ樹脂とポリビニルピロリドンとの相分離構造のサイズは、静置時間、吸湿時間、吸湿量に依存する。前駆体シートに含浸させる際のバインダ樹脂とポリビニルピロリドンの混合溶液濃度、混合比、相分離時間、相分離時の雰囲気湿度等によって精密に制御できる。樹脂溶液濃度としては、含浸時の作業性の点で5〜40質量%とすることが好ましい。
((E3) process)
The step (E3) is a step of phase-separating the binder resin and polyvinylpyrrolidone in the precursor sheet.
For phase separation of the binder resin and polyvinylpyrrolidone, the precursor sheet may be allowed to stand or absorb moisture, whereby a phase separation structure can be formed.
For example, when a binder resin and a phenol resin are used and the atmosphere is absorbed at a relative humidity of 90% and a temperature of 60 ° C., the preferable phase separation time is 5 seconds to 2 minutes.
The size of the phase-separated structure of the binder resin and polyvinylpyrrolidone depends on the standing time, the moisture absorption time, and the amount of moisture absorption. It can be precisely controlled by the concentration of the mixed solution of the binder resin and polyvinylpyrrolidone when impregnating the precursor sheet, the mixing ratio, the phase separation time, the atmospheric humidity at the time of phase separation, and the like. The resin solution concentration is preferably 5 to 40% by mass in terms of workability during impregnation.

((E4)工程)
(E4)工程は、(E3)工程後の前駆体シートを前記バインダ樹脂の貧溶媒に浸漬させて、前駆体シート中のバインダ樹脂を凝固させる工程である。
バインダ樹脂の貧溶媒としては、第四の実施形態において説明した(D3)工程で用いる貧溶媒と同じである。
((E4) process)
The step (E4) is a step of immersing the precursor sheet after the step (E3) in the poor solvent of the binder resin to solidify the binder resin in the precursor sheet.
The poor solvent of the binder resin is the same as the poor solvent used in the step (D3) described in the fourth embodiment.

前駆体シート中のバインダ樹脂を凝固させることによって、(E3)工程で形成された相分離構造を固定できる。
バインダ樹脂とポリビニルピロリドンとの相分離構造のサイズは、凝固浴中での凝固速度にも依存するため、凝固浴組成や凝固浴温度によっても精密に制御できる。
By solidifying the binder resin in the precursor sheet, the phase-separated structure formed in the step (E3) can be fixed.
Since the size of the phase-separated structure of the binder resin and polyvinylpyrrolidone also depends on the coagulation rate in the coagulation bath, it can be precisely controlled by the coagulation bath composition and the coagulation bath temperature.

((E5)工程)
(E5)工程は、(E4)工程後の前駆体シートから前記貧溶媒を除去する工程である。
貧溶媒の除去方法としては、加熱乾燥や真空乾燥などが挙げられる。
乾燥温度は、貧溶媒の沸点近傍であり、かつ樹脂硬化に影響しにくい温度域が好ましい。例えば、貧溶媒が水である場合、乾燥温度は80〜120℃が好ましい。
((E5) step)
The step (E5) is a step of removing the poor solvent from the precursor sheet after the step (E4).
Examples of the method for removing the poor solvent include heat drying and vacuum drying.
The drying temperature is preferably in a temperature range close to the boiling point of the poor solvent and which does not easily affect the resin curing. For example, when the poor solvent is water, the drying temperature is preferably 80 to 120 ° C.

((E6)工程)
(E6)工程は、(E5)工程後の前駆体シートを加熱し、前駆体シート中のバインダ樹脂を硬化させる工程である。
前駆体シートを加熱する方法および条件は、第一の実施形態において説明した(A3)工程と同じである。
((E6) step)
The step (E6) is a step of heating the precursor sheet after the step (E5) to cure the binder resin in the precursor sheet.
The method and conditions for heating the precursor sheet are the same as in step (A3) described in the first embodiment.

((E7)工程)
(E7)工程は、(E6)工程後の前駆体シートを炭素化し、カーボンペーパーを作製する工程である。
前駆体シートを炭素化する方法および条件は、第一の実施形態において説明した(A4)工程と同じである。
((E7) step)
The step (E7) is a step of carbonizing the precursor sheet after the step (E6) to produce carbon paper.
The method and conditions for carbonizing the precursor sheet are the same as the step (A4) described in the first embodiment.

(E7)工程により、炭素繊維紙に含浸したバインダ樹脂が炭素化され、炭化物となる。上述したように、(E3)工程によりバインダ樹脂とポリビニルピロリドンを相分離させ、(E4)工程によりバインダ樹脂を凝固させることより、相分離構造を固定できる。しかも、ポリビニルピロリドンは炭素化により消失する。よって、得られるカーボンペーパーの表面が凹凸状となる。具体的には、比表面積が0.5〜1.5m/gであるカーボンペーパーが得られる。
こうして得られたカーボンペーパーをRFB用電極として用いる。
By the step (E7), the binder resin impregnated in the carbon fiber paper is carbonized and becomes a carbide. As described above, the phase separation structure can be fixed by phase-separating the binder resin and polyvinylpyrrolidone by the step (E3) and solidifying the binder resin by the step (E4). Moreover, polyvinylpyrrolidone disappears due to carbonization. Therefore, the surface of the obtained carbon paper becomes uneven. Specifically, a carbon paper having a specific surface area of 0.5 to 1.5 m 2 / g can be obtained.
The carbon paper thus obtained is used as an electrode for RFB.

(他の工程)
本発明の第五の実施形態のRFB用電極の製造方法は、(E6)工程と(E7)工程との間に、前処理工程および酸化処理工程の少なくとも一方を有していてもよい。
前処理工程および酸化処理工程は、第一の実施形態において説明した前処理工程および酸化処理工程と同様である。
(Other processes)
The method for manufacturing an RFB electrode according to a fifth embodiment of the present invention may include at least one of a pretreatment step and an oxidation treatment step between the step (E6) and the step (E7).
The pretreatment step and the oxidation treatment step are the same as the pretreatment step and the oxidation treatment step described in the first embodiment.

<第六の実施形態>
本発明の第六の実施形態のRFB用電極の製造方法は、以下の(F1)工程、(F2)工程、(F3)工程および(F4)工程を有する。
(F1)工程:PAN系炭素繊維と、炭素繊維以外の繊維からなり、濾水度が400〜900mLであるフィブリル状物とを用いて抄紙し、炭素繊維紙を作製する工程。
(F2)工程:(F1)工程で得られた炭素繊維紙に、炭素化後の残炭率が20質量%以上であるバインダ樹脂を含浸させ、前駆体シートを作製する工程。
(F3)工程:(F2)工程で得られた前駆体シートを加熱し、バインダ樹脂を硬化させる工程。
(F4)工程:(F3)工程後の前駆体シートを炭素化し、カーボンペーパーを作製する工程。
<Sixth Embodiment>
The method for manufacturing an RFB electrode according to a sixth embodiment of the present invention includes the following steps (F1), (F2), (F3) and (F4).
(F1) Step: A step of making carbon fiber paper by making paper using a PAN-based carbon fiber and a fibril-like material composed of fibers other than carbon fiber and having a drainage degree of 400 to 900 mL.
Step (F2): A step of impregnating the carbon fiber paper obtained in the step (F1) with a binder resin having a residual carbon content of 20% by mass or more after carbonization to prepare a precursor sheet.
Step (F3): A step of heating the precursor sheet obtained in the step (F2) to cure the binder resin.
(F4) Step: A step of carbonizing the precursor sheet after the (F3) step to produce carbon paper.

((F1)工程)
(F1)工程は、PAN系炭素繊維と、炭素繊維以外の繊維からなり、濾水度が400〜900mLであるフィブリル状物とを用いて抄紙し、炭素繊維紙を作製する工程である。
フィブリル状物は、炭素化により消失するが、フィブリル状物の周りに付着したバインダ樹脂が炭化物として残り、炭化物の網状構造形成に寄与する。
((F1) process)
The step (F1) is a step of making a carbon fiber paper by making a paper using a PAN-based carbon fiber and a fibril-like material composed of fibers other than the carbon fiber and having a drainage degree of 400 to 900 mL.
The fibril-like material disappears due to carbonization, but the binder resin adhering around the fibril-like material remains as carbide and contributes to the formation of a network structure of the carbide.

フィブリル状物の濾水度が400〜900mLである。濾水度を400mL以上とすることにより、カーボンペーパーの表面状態を良好なものとすることができる。また、炭素繊維紙を抄紙によって製造する場合には、抄紙時の水抜けが良好なものとなる。一方、濾水度を900mL以下とすることにより、フィブリル状物を形成する繊維の直径を適切なものとすることができ、カーボンペーパーの表面が粗になることがなく、RFBとしたときに他の部材との接触を良好に保つことができる。 The degree of drainage of the fibril-like substance is 400 to 900 mL. By setting the degree of drainage to 400 mL or more, the surface condition of the carbon paper can be improved. Further, when the carbon fiber paper is manufactured by papermaking, the drainage during papermaking is good. On the other hand, by setting the drainage degree to 900 mL or less, the diameter of the fibers forming the fibril-like material can be made appropriate, and the surface of the carbon paper does not become rough, and when RFB is used, the other Good contact with the members can be maintained.

フィブリル状物は、PAN系炭素繊維と一緒に分散し、炭素短繊維の再収束を防止する役割も果たす。また、バインダ樹脂によっては、バインダ樹脂の硬化に縮合水を生成するものもあるが、フィブリル状物には、その水を吸収、排出する役割も期待できる。そのため、水との親和性にも優れているものが好ましい。具体的なフィブリル状物としては、フィブリル化されたポリエチレン繊維、アクリル繊維、アラミド繊維等の合成パルプなどが挙げられる。これらの中でも、PAN系炭素繊維との親和性、取り扱い性、コストの点からフィブリル化されたポリエチレン繊維が好ましい。 The fibrils disperse together with the PAN-based carbon fibers and also play a role in preventing the reconvergence of the short carbon fibers. Further, depending on the binder resin, condensed water is generated when the binder resin is cured, but the fibril-like substance can be expected to play a role of absorbing and discharging the water. Therefore, those having an excellent affinity with water are preferable. Specific examples of the fibril-like material include synthetic pulps such as fibrillated polyethylene fibers, acrylic fibers, and aramid fibers. Among these, fibrillated polyethylene fiber is preferable from the viewpoint of affinity with PAN-based carbon fiber, handleability, and cost.

フィブリル状物は、抄紙時の分散媒に不溶でかつ膨潤しないことが好ましい。このようなフィブリル状物を用いれば、バインダ樹脂が付着する段階で形状が変化しにくいため、網状の樹脂炭化物を容易に形成できる。
架橋構造を効率的に形成するという点からフィブリル状物を構成する繊維の表面自由エネルギーが、PAN系炭素繊維の表面自由エネルギーより大きいものが好ましい。フィブリル状物を構成する繊維の表面自由エネルギーがPAN系炭素繊維より大きいことで、バインダ樹脂が繊維に優先的に付着し、炭素化後、網状の架橋構造が形成されやすくなる。
The fibril-like material is preferably insoluble in the dispersion medium at the time of papermaking and does not swell. When such a fibril-like material is used, the shape is unlikely to change at the stage where the binder resin adheres, so that a net-like resin carbide can be easily formed.
From the viewpoint of efficiently forming a crosslinked structure, it is preferable that the surface free energy of the fibers constituting the fibril-like material is larger than the surface free energy of the PAN-based carbon fibers. Since the surface free energy of the fibers constituting the fibril-like material is larger than that of the PAN-based carbon fibers, the binder resin preferentially adheres to the fibers, and after carbonization, a network-like crosslinked structure is likely to be formed.

フィブリル状物の割合は、炭素繊維紙の総質量に対して、10〜70質量%が好ましく、10〜50質量%がより好ましい。フィブリル状物の割合が10質量%以上であれば、網状の樹脂炭化物を十分に発達させることができ、RFB用電極に十分な機械強度を付与できる。また、フィブリル状物は、バインダ樹脂を押圧下で硬化するときに生じるうねりやシワ等の外力に打ち勝つための補強材としても作用する。フィブリル状物の割合が10質量%以上であれば、補強材としての効果が充分に得られる。一方、フィブリル状物の割合が70質量%以下であれば、PAN系炭素繊維に付着するバインダ樹脂の不足によりRFB用電極が崩れやすくなったり、厚み制御が難しくなったりすることを防ぐことができる。 The ratio of the fibrils is preferably 10 to 70% by mass, more preferably 10 to 50% by mass, based on the total mass of the carbon fiber paper. When the proportion of the fibril-like substance is 10% by mass or more, the reticulated resin carbide can be sufficiently developed, and sufficient mechanical strength can be imparted to the RFB electrode. The fibril-like material also acts as a reinforcing material for overcoming external forces such as wrinkles and wrinkles that occur when the binder resin is cured under pressure. When the ratio of the fibril-like substance is 10% by mass or more, the effect as a reinforcing material can be sufficiently obtained. On the other hand, when the ratio of the fibril-like substance is 70% by mass or less, it is possible to prevent the RFB electrode from easily collapsing or the thickness control from becoming difficult due to the lack of the binder resin adhering to the PAN-based carbon fiber. ..

抄紙方法としては、液体の媒体中にPAN系炭素繊維とフィブリル状物の混合物を分散させて抄造する湿式法、空気中にPAN系炭素繊維とフィブリル状物の混合物を分散させて降り積もらせる乾式法などが適用できる。これらの中でも、PAN系炭素繊維およびフィブリル状物が単繊維に分散するのを助け、分散した単繊維が再び収束するのを防止できる観点から、湿式法が好ましい。 Papermaking methods include a wet method in which a mixture of PAN-based carbon fibers and fibrils is dispersed in a liquid medium to make a paper, and a dry method in which a mixture of PAN-based carbon fibers and fibrils is dispersed in air and deposited. Law etc. can be applied. Among these, the wet method is preferable from the viewpoint of helping the PAN-based carbon fibers and the fibril-like material to be dispersed in the single fibers and preventing the dispersed single fibers from reconverging.

PAN系炭素繊維とフィブリル状物を混合する方法としては、第二の実施形態の(B1)工程において説明した、PAN系炭素繊維と非PAN系炭素繊維を混合する方法と同じである。
なお、炭素繊維紙は、PAN系炭素繊維およびフィブリル状物とともに、非PAN系炭素繊維やバインダ短繊維を抄紙して作製してもよい。
The method of mixing the PAN-based carbon fiber and the fibril-like substance is the same as the method of mixing the PAN-based carbon fiber and the non-PAN-based carbon fiber described in the step (B1) of the second embodiment.
The carbon fiber paper may be produced by papermaking non-PAN-based carbon fibers or binder short fibers together with PAN-based carbon fibers and fibrils.

((F2)工程)
(F2)工程は、(F1)工程で得られた炭素繊維紙に、炭素化後の残炭率が20質量%以上であるバインダ樹脂を含浸させ、前駆体シートを作製する工程である。
バインダ樹脂の含浸方法は、第一の実施形態において説明した(A2)工程と同じである。
なお、バインダ樹脂と炭素フィラーとを混合してバインダ樹脂組成物(以下、「樹脂組成物(F)」ともいう。)を炭素繊維紙に含浸させてもよい。また、樹脂組成物(F)に、炭素化後の残炭率が15質量%以下である樹脂からなる粒子を配合してもよい。
((F2) process)
The step (F2) is a step of impregnating the carbon fiber paper obtained in the step (F1) with a binder resin having a residual carbon content of 20% by mass or more after carbonization to prepare a precursor sheet.
The method of impregnating the binder resin is the same as the step (A2) described in the first embodiment.
The binder resin and the carbon filler may be mixed and impregnated with the binder resin composition (hereinafter, also referred to as “resin composition (F)”) in the carbon fiber paper. Further, the resin composition (F) may be blended with particles made of a resin having a residual carbon content of 15% by mass or less after carbonization.

((F3)工程)
(F3)工程は、(F2)工程で得られた前駆体シートを加熱し、バインダ樹脂を硬化させる工程である。
前駆体シートを加熱する方法および条件は、第一の実施形態において説明した(A3)工程と同じである。
((F3) process)
The step (F3) is a step of heating the precursor sheet obtained in the step (F2) to cure the binder resin.
The method and conditions for heating the precursor sheet are the same as in step (A3) described in the first embodiment.

((F4)工程)
(F4)工程は、(F3)工程後の前駆体シートを炭素化し、カーボンペーパーを作製する工程である。
前駆体シートを炭素化する方法および条件は、第一の実施形態において説明した(A4)工程と同じである。
((F4) process)
The step (F4) is a step of carbonizing the precursor sheet after the step (F3) to produce carbon paper.
The method and conditions for carbonizing the precursor sheet are the same as the step (A4) described in the first embodiment.

(F4)工程により、炭素繊維紙に含浸したバインダ樹脂が炭素化され、炭化物となる。この炭化物は不定形である。また、上述したように、フィブリル状物は炭素化により消失するが、フィブリル状物の周りに付着したバインダ樹脂が炭化物として残り、網状構造の炭化物が形成される。PAN系炭素繊維同士は不定型な炭化物と、架橋構造の炭化物により結着される。その結果、PAN系炭素繊維同士が不定形な炭化物で結着されてできる大きな細孔と、PAN系炭素繊維同士が網状構造の炭化物で架橋されて形成される小さな細孔とを有するカーボンペーパーが得られる。そのため、細孔分布において少なくとも2つのピークを有することが可能となり、比表面積を0.5〜1.5m/gに制御しやすい。
こうして得られたカーボンペーパーをRFB用電極として用いる。
By the step (F4), the binder resin impregnated in the carbon fiber paper is carbonized and becomes a carbide. This carbide is amorphous. Further, as described above, the fibril-like substance disappears due to carbonization, but the binder resin adhering around the fibril-like substance remains as a carbide, and a carbide having a network structure is formed. The PAN-based carbon fibers are bound to each other by an amorphous carbide and a carbide having a crosslinked structure. As a result, carbon paper having large pores formed by binding PAN-based carbon fibers with amorphous carbide and small pores formed by cross-linking PAN-based carbon fibers with carbides having a network structure is produced. can get. Therefore, it is possible to have at least two peaks in the pore distribution, and it is easy to control the specific surface area to 0.5 to 1.5 m 2 / g.
The carbon paper thus obtained is used as an electrode for RFB.

(他の工程)
本発明の第六の実施形態のRFB用電極の製造方法は、(F3)工程と(F4)工程との間に、前処理工程および酸化処理工程の少なくとも一方を有していてもよい。
前処理工程および酸化処理工程は、第一の実施形態において説明した前処理工程および酸化処理工程と同様である。
(Other processes)
The method for manufacturing an RFB electrode according to a sixth embodiment of the present invention may include at least one of a pretreatment step and an oxidation treatment step between the (F3) step and the (F4) step.
The pretreatment step and the oxidation treatment step are the same as the pretreatment step and the oxidation treatment step described in the first embodiment.

<作用効果>
以上説明した本発明のRFB用電極の製造方法によれば、比表面積が0.5〜1.5m/gであるカーボンペーパーを製造できる。本発明のRFB用電極の製造方法により得られるRFB用電極を用いれば、低コスト化および小型化を実現でき、短絡しにくく、電池性能に優れたRFBが得られる。
<Effect>
According to the method for producing an RFB electrode of the present invention described above , carbon paper having a specific surface area of 0.5 to 1.5 m 2 / g can be produced. By using the RFB electrode obtained by the method for manufacturing an RFB electrode of the present invention, it is possible to realize cost reduction and miniaturization, it is difficult to short-circuit, and RFB having excellent battery performance can be obtained.

<他の実施形態>
本発明のRFB用電極の製造方法は、上述した製造方法に限定されない。
例えば、第一の実施形態や第二の実施形態において、前駆体シート中のバインダ樹脂を硬化する前に、前駆体シートをバインダ樹脂の貧溶媒に浸漬させてバインダ樹脂を凝固させてもよい。また、第一の実施形態や第二の実施形態において、炭素繊維紙にバインダ樹脂を含浸させる際にポリビニルピロリドンも含浸させ、前駆体シート中のバインダ樹脂とポリビニルピロリドンとを相分離させた後、バインダ樹脂を凝固させてもよい。さらに、第一の実施形態や第二の実施形態において、PAN系炭素繊維とフィブリル状物とを用いて抄紙し、炭素繊維紙を作製してもよい。
<Other Embodiments>
The method for producing an electrode for RFB of the present invention is not limited to the above-mentioned production method.
For example, in the first embodiment and the second embodiment, the precursor sheet may be immersed in a poor solvent of the binder resin to solidify the binder resin before the binder resin in the precursor sheet is cured. Further, in the first embodiment and the second embodiment, when the carbon fiber paper is impregnated with the binder resin, polyvinylpyrrolidone is also impregnated, and the binder resin and the polyvinylpyrrolidone in the precursor sheet are phase-separated. The binder resin may be solidified. Further, in the first embodiment and the second embodiment, the carbon fiber paper may be produced by making paper using the PAN-based carbon fiber and the fibril-like material.

「レドックスフロー電池」
図1は、本発明のRFBの一例を示す概略構成図である。
この例のRFB10は、水素イオンが透過する隔膜11により内部が正極室12aと負極室12bに分離された電解槽12と、正極室12aに設置された正極電極13aと、負極室12bに設置された負極電極13bと、正極電解液を貯留する正極タンク14aと、負極電解液を貯留する負極タンク14bとを備える。
"Redox flow battery"
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an example of RFB of the present invention.
The RFB 10 of this example is installed in an electrolytic tank 12 whose inside is separated into a positive electrode chamber 12a and a negative electrode chamber 12b by a diaphragm 11 through which hydrogen ions permeate, a positive electrode 13a installed in the positive electrode chamber 12a, and a negative electrode chamber 12b. The negative electrode electrode 13b, the positive electrode tank 14a for storing the positive electrode electrolyte, and the negative electrode tank 14b for storing the negative electrode electrolyte are provided.

正極室12aと正極タンク14aは接続配管15a、16aを介して接続され、正極電解液はポンプ17aにより正極タンク14aと正極室12aとの間で循環される。
負極室12bと負極タンク14bは接続配管15b、16bを介して接続され、負極電解液はポンプ17bにより負極タンク14bと負極室12bとの間で循環される。
The positive electrode chamber 12a and the positive electrode tank 14a are connected via connection pipes 15a and 16a, and the positive electrode electrolytic solution is circulated between the positive electrode tank 14a and the positive electrode chamber 12a by the pump 17a.
The negative electrode chamber 12b and the negative electrode tank 14b are connected via connection pipes 15b and 16b, and the negative electrode electrolytic solution is circulated between the negative electrode tank 14b and the negative electrode chamber 12b by the pump 17b.

本実施形態において、正極電極13aおよび負極電極13bの少なくとも一方が、本発明のRFB用電極である。
正極電極13aおよび負極電極13bのいずれか一方が本発明のRFB用電極である場合、他方の電極としては公知の電極を用いることができる。
本実施形態のRFB10は、正極電極13aおよび負極電極13bの両方が、本発明のRFB用電極であることが好ましい。
正極電極13aおよび負極電極13b以外の構成は、従来のRFBと同じものを採用できる。
In the present embodiment, at least one of the positive electrode 13a and the negative electrode 13b is the RFB electrode of the present invention.
When either one of the positive electrode 13a and the negative electrode 13b is the RFB electrode of the present invention, a known electrode can be used as the other electrode.
In the RFB 10 of the present embodiment, it is preferable that both the positive electrode 13a and the negative electrode 13b are the electrodes for RFB of the present invention.
The configuration other than the positive electrode 13a and the negative electrode 13b can be the same as that of the conventional RFB.

以上説明した本発明の本発明のRFBは、RFB用電極を備えているので、低コスト化および小型化を実現でき、短絡しにくく、電池性能に優れる。 Since the RFB of the present invention described above is provided with an electrode for RFB, it is possible to realize cost reduction and miniaturization, it is difficult to short-circuit, and the battery performance is excellent.

以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to Examples, but the present invention is not limited thereto.

「測定方法」
<厚さの測定>
カーボンペーパーの厚さは、厚み測定装置(株式会社ミツトヨ製、「ダイヤルシックネスゲージ7321」)を使用して測定した。測定子の大きさは直径10mmで、測定圧力は1.5kPaとした。
"Measuring method"
<Measurement of thickness>
The thickness of the carbon paper was measured using a thickness measuring device (“Dial Thickness Gauge 7321” manufactured by Mitutoyo Co., Ltd.). The size of the stylus was 10 mm in diameter, and the measurement pressure was 1.5 kPa.

<比表面積の測定>
カーボンペーパーの比表面積は、水銀ポロシメーター(Quantachrome社製、「Pore Master−60」)を用い、水銀圧入法により測定した。
<Measurement of specific surface area>
The specific surface area of the carbon paper was measured by a mercury intrusion method using a mercury porosimeter (“Pore Master-60” manufactured by Quantachrome).

<電池性能の評価>
マッフル炉にてカーボンペーパーを600℃、30分間大気雰囲気中で加熱し、これを5cm四方にカットしたものを、アノード用とカソード用に2枚準備した。陽イオン交換膜(DuPont社製、「Nafion NRE−212」)を、アノード用、カソード用のカーボンペーパーで挟持し、さらにそれらを蛇行型の電解液流路を有する2枚のカーボンセパレーターによって挟み、単セルを形成した。
正極電解液および負極電解液としては硫酸バナジウム水溶液(バナジウムイオン濃度2M,硫酸イオン濃度4M)を用いた。25℃にて正極電解液および負極電解液を20mL/minで循環供給しながら、電流密度40mA/cmにおける電圧を測定した。
<Evaluation of battery performance>
Carbon paper was heated in an air atmosphere at 600 ° C. for 30 minutes in a muffle furnace, and two pieces of 5 cm square pieces were prepared, one for the anode and the other for the cathode. A cation exchange membrane (“Nafion NRE-212” manufactured by DuPont) is sandwiched between carbon papers for an anode and a cathode, and further sandwiched between two carbon separators having a meandering electrolyte flow path. A single cell was formed.
A vanadium sulfate aqueous solution (vanadium ion concentration 2M, sulfate ion concentration 4M) was used as the positive electrode electrolytic solution and the negative electrode electrolytic solution. The voltage at a current density of 40 mA / cm 2 was measured while circulating and supplying the positive electrode electrolyte and the negative electrode electrolyte at 20 mL / min at 25 ° C.

「実施例1」
PAN系炭素繊維(平均繊維径:7μm、平均繊維長:3mm)100質量部を水中に均一に分散して単繊維に解繊し、十分に分散したところに、バインダ短繊維としてポリビニルアルコール短繊維(株式会社クラレ製、「VBP105−1」、平均繊維長:3mm)40質量部、およびポリエチレンテレフタレート短繊維30質量部を均一に分散し、分散液を調製した。
次いで、標準角型シートマシン(熊谷理機工業株式会社製、「No.2555」)を用いてJIS P 8209法に準拠して手動により分散液を抄紙した後、乾燥させて、目付が40g/mの炭素繊維紙を得た。炭素繊維の分散状態は良好であった。
別途、炭素化後の残炭率が15質量%以下の樹脂からなる粒子として、真球状のポリメタクリル酸メチル(PMMA)粒子(平均粒子径:233nm)を20質量%含む水分散液(PMMA粒子水分散液)を用意した。
先に得られた炭素繊維紙をPMMA粒子水分散液に含浸させ、室温にて8時間乾燥させることによって、目付が98g/mであり、PMMA粒が付与された炭素繊維紙を得た。
次いで、PMMA粒が付与された炭素繊維紙をフェノール樹脂(DIC株式会社製、「フェノライトJ−325」)を13質量%含むメタノール溶液に含浸させ、熱風乾燥機にて80℃で1時間乾燥させることによって、目付が115g/mであり、フェノール樹脂およびPMMA粒が付与された前駆体シートを得た。これは、PAN系炭素繊維100質量部に対し、フェノール樹脂を72質量部付着させたことになる。また、フェノール樹脂100質量部に対し、PMMA粒子を340質量部混合させたことになる。
次いで、得られた前駆体シートを2枚重ね合わせ、これを2枚のシリコーン系離型剤をコートした紙に挟んだ後、バッチプレス装置で180℃、30kPaの条件下で3分間加熱加圧した。
次いで、加熱加圧した前駆体シートをバッチ炭素化炉にて、窒素ガス雰囲気中、2000℃の条件下で1時間炭素化し、厚さ220μmのカーボンペーパーを得た。
得られたカーボンペーパーについて、比表面積を求めた。結果を表1に示す。また、得られたカーボンペーパーの表面を走査型電子顕微鏡により観察したところ、分散したPAN系炭素繊維同士が炭素化したフェノール樹脂により結着していた。また、PMMA粒子は消失しており、この消失したPMMA粒子の平均粒子径に依存した大きさの空隙が形成されていた。
"Example 1"
100 parts by mass of PAN-based carbon fibers (average fiber diameter: 7 μm, average fiber length: 3 mm) are uniformly dispersed in water and defibrated into single fibers, and when sufficiently dispersed, polyvinyl alcohol short fibers are used as binder short fibers. (Manufactured by Kuraray Co., Ltd., "VBP105-1", average fiber length: 3 mm) 40 parts by mass and 30 parts by mass of polyethylene terephthalate short fibers were uniformly dispersed to prepare a dispersion liquid.
Then, using a standard square sheet machine (manufactured by Kumagai Riki Kogyo Co., Ltd., "No. 2555"), the dispersion was manually paper-made in accordance with the JIS P 8209 method, and then dried to give a grain of 40 g / g. A carbon fiber paper of m 2 was obtained. The dispersed state of the carbon fibers was good.
Separately, an aqueous dispersion (PMMA particles) containing 20% by mass of spherical polymethyl methacrylate (PMMA) particles (average particle size: 233 nm) as particles made of a resin having a residual carbonization ratio of 15% by mass or less after carbonization. Water dispersion) was prepared.
The previously obtained carbon fiber paper was impregnated with a PMMA particle aqueous dispersion and dried at room temperature for 8 hours to obtain a carbon fiber paper having a grain size of 98 g / m 2 and having PMMA particles attached.
Next, the carbon fiber paper to which PMMA grains were added was impregnated with a methanol solution containing 13% by mass of phenol resin (manufactured by DIC Corporation, "Phenolite J-325"), and dried at 80 ° C. for 1 hour in a hot air dryer. A precursor sheet having a grain size of 115 g / m 2 and to which phenol resin and PMMA grains were applied was obtained. This means that 72 parts by mass of phenol resin was attached to 100 parts by mass of PAN-based carbon fiber. Further, 340 parts by mass of PMMA particles were mixed with 100 parts by mass of the phenol resin.
Next, two obtained precursor sheets were laminated, sandwiched between two sheets of paper coated with a silicone-based release agent, and then heated and pressed for 3 minutes at 180 ° C. and 30 kPa with a batch press device. did.
Next, the heated and pressurized precursor sheet was carbonized in a batch carbonization furnace in a nitrogen gas atmosphere at 2000 ° C. for 1 hour to obtain a carbon paper having a thickness of 220 μm.
The specific surface area of the obtained carbon paper was determined. The results are shown in Table 1. Moreover, when the surface of the obtained carbon paper was observed with a scanning electron microscope, the dispersed PAN-based carbon fibers were bound to each other by carbonized phenol resin. In addition, the PMMA particles had disappeared, and voids having a size depending on the average particle size of the disappeared PMMA particles were formed.

得られたカーボンペーパーをRFB用電極として用い、図1に示すRFB10を製造した。ポンプ17a、17bを稼働させ、正極タンク14aと正極室12aとの間で正極電解液を循環させ、負極タンク14bと負極室12bとの間で負極電解液を循環させ、正極室12aおよび負極室12bに設置された各RFB用電極上で酸化還元反応を進行させることで充放電を行い、電池性能を評価した。結果を表1に示す。 The obtained carbon paper was used as an electrode for RFB to produce RFB10 shown in FIG. The pumps 17a and 17b are operated to circulate the positive electrode electrolytic solution between the positive electrode tank 14a and the positive electrode chamber 12a, and the negative electrode electrolytic solution is circulated between the negative electrode tank 14b and the negative electrode chamber 12b, and the positive electrode chamber 12a and the negative electrode chamber are circulated. Charging and discharging were performed by advancing the redox reaction on each RFB electrode installed in 12b, and the battery performance was evaluated. The results are shown in Table 1.

「実施例2」
炭素繊維として、平均繊維長6mmにカットしたPAN系炭素繊維(三菱レイヨン株式会社製、「TR50S」、平均繊維径:7μm)20質量部と平均繊維長6mmにカットした非PAN系炭素繊維(三菱レイヨン株式会社製、「K223SE」)80質量部を用いた以外は、実施例1と同様にして厚さ200μmのカーボンペーパーを作製し、比表面積を求めた。
また、得られたカーボンペーパーを用いた以外は、実施例1と同様にしてRFBを製造し、電池性能を評価した。結果を表1に示す。
"Example 2"
As carbon fibers, PAN-based carbon fibers cut to an average fiber length of 6 mm (manufactured by Mitsubishi Rayon Co., Ltd., "TR50S", average fiber diameter: 7 μm) 20 parts by mass and non-PAN-based carbon fibers cut to an average fiber length of 6 mm (Mitsubishi) A carbon paper having a thickness of 200 μm was prepared in the same manner as in Example 1 except that 80 parts by mass of Rayon Co., Ltd. (“K223SE”) was used, and the specific surface area was determined.
Further, RFB was produced in the same manner as in Example 1 except that the obtained carbon paper was used, and the battery performance was evaluated. The results are shown in Table 1.

「実施例3」
PMMA粒子水分散液の代わりに、炭素フィラーとして熱分解黒鉛(伊藤黒鉛工業株式会社製、「PC−H」)を20質量%含む水分散液を用いた以外は、実施例1と同様にして厚さ195μmのカーボンペーパーを作製し、比表面積を求めた。結果を表1に示す。
また、得られたカーボンペーパーを用いた以外は、実施例1と同様にしてRFBを製造し、電池性能を評価した。結果を表1に示す。
"Example 3"
The same as in Example 1 except that an aqueous dispersion containing 20% by mass of pyrolyzed graphite (manufactured by Ito Graphite Industry Co., Ltd., “PC-H”) was used as the carbon filler instead of the PMMA particle aqueous dispersion. A carbon paper having a thickness of 195 μm was prepared, and the specific surface area was determined. The results are shown in Table 1.
Further, RFB was produced in the same manner as in Example 1 except that the obtained carbon paper was used, and the battery performance was evaluated. The results are shown in Table 1.

「実施例4」
PAN系炭素繊維(平均繊維径:7μm、平均繊維長:3mm)100質量部を湿式短網連続抄紙装置のスラリータンクで水中に均一に分散解繊し、十分に分散したところに、バインダ短繊維としてポリビニルアルコール短繊維(株式会社クラレ製、「VBP105−1」、平均繊維長:3mm)20質量部、およびフィブリル状物としてポリエチレンパルプ(三井化学株式会社製、「SWP」、濾水度:450mL(JIS P 8121のパルプ濾水度試験法(1)カナダ標準型で測定))100質量部を均一に分散し、送り出した。
送り出されたウェブを短網板に通し、ドライヤー乾燥後、目付40g/m、長さ100mの炭素繊維紙を得た。
得られた炭素繊維紙をフェノール樹脂(DIC株式会社製、「フェノライトJ−325」)を13質量%含むメタノール溶液に含浸させ、熱風乾燥炉にて120℃で10分乾燥させることによって、目付が58g/mであり、フェノール樹脂が付与された前駆体シートを得た。これは、PAN系炭素繊維100質量部に対し、フェノール樹脂を100質量部付着させたことになる。
次いで、得られた前駆体シートを2枚貼り合せて一対のエンドレスベルトを備えた連続式加熱プレス装置(ダブルベルトプレス装置:DBP)にて連続的に加熱し、表面が平滑化されたシート(幅:30cm、長さ:100m)を得た。このときの予熱ゾーンでの予熱温度は150℃、予熱時間は5分であり、加熱加圧ゾーンでの温度は250℃、プレス圧力は線圧8.0×10N/mであった。なお、シートがベルトに貼り付かないように2枚の離型紙の間に挟んでDBPを通した。
次いで、このシートを窒素ガス雰囲気中、500℃の連続焼成炉にて5分間フェノール樹脂の硬化処理および前炭素化した後、窒素ガス雰囲気中、2000℃の連続焼成炉において5分間加熱し、炭素化することで厚さ200μmのカーボンペーパーを得た。
得られたカーボンペーパーについて、比表面積を求めた。結果を表1に示す。
また、得られたカーボンペーパーを用いた以外は、実施例1と同様にしてRFBを製造し、電池性能を評価した。結果を表1に示す。
"Example 4"
100 parts by mass of PAN-based carbon fibers (average fiber diameter: 7 μm, average fiber length: 3 mm) were uniformly dispersed and defibrated in water in a slurry tank of a wet short net continuous papermaking machine, and the binder short fibers were sufficiently dispersed. 20 parts by mass of polyvinyl alcohol short fibers (manufactured by Kuraray Co., Ltd., "VBP105-1", average fiber length: 3 mm), and polyethylene pulp (manufactured by Mitsui Chemicals Co., Ltd., "SWP", drainage degree: 450 mL) as fibrils. (Pulp drainage test method of JIS P 8121 (1) Measured by Canadian standard type)) 100 parts by mass was uniformly dispersed and sent out.
The sent out web was passed through a short net plate, dried with a dryer , and then a carbon fiber paper having a basis weight of 40 g / m 2 and a length of 100 m was obtained.
The obtained carbon fiber paper is impregnated with a methanol solution containing 13% by mass of phenol resin (manufactured by DIC Corporation, "Phenolite J-325") and dried in a hot air drying furnace at 120 ° C. for 10 minutes. Was 58 g / m 2 , and a precursor sheet to which a phenol resin was applied was obtained. This means that 100 parts by mass of phenol resin was attached to 100 parts by mass of PAN-based carbon fiber.
Next, two obtained precursor sheets were laminated and continuously heated by a continuous heating press device (double belt press device: DBP) equipped with a pair of endless belts to smooth the surface of the sheet (double belt press device: DBP). Width: 30 cm, length: 100 m) was obtained. Preheating temperature 0.99 ° C. in the preheating zone of this time, the preheating time is 5 minutes, the temperature is 250 ° C. at the heating and pressurizing zone, the press pressure was linear pressure 8.0 × 10 4 N / m. The sheet was sandwiched between two sheets of paper pattern so that the sheet would not stick to the belt and passed through the DBP.
Next, this sheet was cured and precarbonized in a continuous firing furnace at 500 ° C. for 5 minutes in a nitrogen gas atmosphere, and then heated in a continuous firing furnace at 2000 ° C. for 5 minutes in a nitrogen gas atmosphere to carbon. A carbon paper having a thickness of 200 μm was obtained.
The specific surface area of the obtained carbon paper was determined. The results are shown in Table 1.
Further, RFB was produced in the same manner as in Example 1 except that the obtained carbon paper was used, and the battery performance was evaluated. The results are shown in Table 1.

「比較例1」
炭素繊維紙をPMMA粒子水分散液に含浸させなかった以外は、実施例1と同様にして厚さ190μmのカーボンペーパーを作製し、比表面積を求めた。結果を表1に示す。
また、得られたカーボンペーパーを用いた以外は、実施例1と同様にしてRFBを製造し、電池性能を評価した。結果を表1に示す。
"Comparative Example 1"
A carbon paper having a thickness of 190 μm was prepared in the same manner as in Example 1 except that the carbon fiber paper was not impregnated with the aqueous dispersion of PMMA particles, and the specific surface area was determined. The results are shown in Table 1.
Further, RFB was produced in the same manner as in Example 1 except that the obtained carbon paper was used, and the battery performance was evaluated. The results are shown in Table 1.

Figure 0006855843
Figure 0006855843

表1から明らかなように、各実施例で得られたカーボンペーパーをRFB用電極として用いたRFBは、電池性能に優れていた。
一方、比表面積が0.5m/g未満であるカーボンペーパーをRFB用電極として用いた比較例1のRFBは、各実施例のRFBに比べて電池性能に劣っていた。
As is clear from Table 1, the RFB using the carbon paper obtained in each example as an electrode for RFB was excellent in battery performance.
On the other hand, the RFB of Comparative Example 1 using carbon paper having a specific surface area of less than 0.5 m 2 / g as an electrode for RFB was inferior in battery performance to the RFB of each example.

10 レドックスフロー電池
11 隔膜
12 電解槽
12a 正極室
12b 負極室
13a 正極電極
13b 負極電極
14a 正極タンク
14b 負極タンク
15a 接続配管
15b 接続配管
16a 接続配管
16b 接続配管
17a ポンプ
17b ポンプ
10 Redox flow battery 11 Diaphragm 12 Electrolytic cell 12a Positive electrode chamber 12b Negative electrode chamber 13a Positive electrode 13b Negative electrode 14a Positive electrode tank 14b Negative electrode tank 15a Connection piping 15b Connection piping 16a Connection piping 16b Connection piping 17a Pump 17b Pump

Claims (7)

ポリアクリロニトリル系炭素繊維とバインダ樹脂の炭化物とを含むカーボンペーパーからなり、水銀圧入法により測定される比表面積が0.5〜1.5m/gである、レドックスフロー電池用電極。 An electrode for a redox flow battery, which is made of carbon paper containing polyacrylonitrile-based carbon fibers and carbides of a binder resin, and has a specific surface area of 0.5 to 1.5 m 2 / g measured by a mercury intrusion method. 前記カーボンペーパーは水銀圧入法により測定される細孔分布において少なくとも2つのピークを有する、請求項1に記載のレドックスフロー電池用電極。 The electrode for a redox flow battery according to claim 1, wherein the carbon paper has at least two peaks in the pore distribution measured by the mercury intrusion method. 前記カーボンペーパーは炭素フィラーをさらに含む、請求項1または2に記載のレドックスフロー電池用電極。 The electrode for a redox flow battery according to claim 1 or 2, wherein the carbon paper further contains a carbon filler. 前記炭素フィラーが黒鉛である、請求項3に記載のレドックスフロー電池用電極。The electrode for a redox flow battery according to claim 3, wherein the carbon filler is graphite. 前記カーボンペーパーはポリアクリロニトリル系炭素繊維以外の炭素繊維をさらに含む、請求項1〜のいずれか一項に記載のレドックスフロー電池用電極。 The electrode for a redox flow battery according to any one of claims 1 to 4 , wherein the carbon paper further contains carbon fibers other than polyacrylonitrile-based carbon fibers. 請求項1〜5のいずれか一項に記載のレドックスフロー電池用電極の製造方法であって、The method for manufacturing an electrode for a redox flow battery according to any one of claims 1 to 5.
ポリアクリロニトリル系炭素繊維と、炭素繊維以外の繊維からなるフィブリル状物とを含む炭素繊維紙を用いて前記カーボンペーパーを製造する、レドックスフロー電池用電極の製造方法。A method for producing electrodes for a redox flow battery, wherein the carbon fiber paper is produced using carbon fiber paper containing polyacrylonitrile-based carbon fibers and fibrils made of fibers other than carbon fibers.
請求項1〜のいずれか一項に記載のレドックスフロー電池用電極を備えた、レドックスフロー電池。 A redox flow battery comprising the electrode for the redox flow battery according to any one of claims 1 to 5.
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